La ciencia y la industria de las TI tienen grandes esperanzas en la computación cuántica, pero las descripciones de posibles aplicaciones tienden a ser vagas. Los investigadores de ETH Zurich ahora han presentado un ejemplo concreto que demuestra lo que las computadoras cuánticas realmente podrán lograr en el futuro.

Los especialistas esperan nada menos que una revolución tecnológica de las computadoras cuánticas, que esperan pronto les permitirá resolver problemas que actualmente son demasiado complejos para las supercomputadoras clásicas. Las áreas de aplicación más discutidas incluyen el cifrado y descifrado de datos, así como problemas especiales en los campos de la física, investigación de materiales y química cuántica.

Pero cuando se trata de preguntas concretas que solo las computadoras cuánticas pueden responder, los expertos se han mantenido relativamente vagos. Investigadores de ETH Zurich y Microsoft Research presentan ahora una aplicación específica por primera vez en la revista científica PNAS :evaluación de una reacción química compleja. Basado en este ejemplo, los científicos muestran que las computadoras cuánticas pueden ofrecer resultados científicamente relevantes.

Un equipo de investigadores dirigido por los profesores de ETH Markus Reiher y Matthias Troyer utilizó simulaciones para demostrar cómo se podría calcular una reacción química compleja con la ayuda de una computadora cuántica. Para lograr esto, la computadora cuántica debe ser de un "tamaño moderado", dice Matthias Troyer, quien es profesor de Física Computacional en ETH Zurich y actualmente trabaja para Microsoft. El mecanismo de esta reacción sería casi imposible de evaluar con un superordenador clásico solo, especialmente si los resultados deben ser lo suficientemente precisos.

Una de las enzimas más complejas.

Los investigadores eligieron una reacción bioquímica particularmente compleja como ejemplo para su estudio:gracias a una enzima especial conocida como nitrogenasa, ciertos microorganismos pueden dividir las moléculas de nitrógeno atmosférico para crear compuestos químicos con átomos de nitrógeno individuales. Todavía se desconoce cómo funciona exactamente la reacción de la nitrogenasa. "Este es uno de los mayores misterios sin resolver de la química, "dice Markus Reiher, Catedrático de Química Teórica en ETH Zurich.

Las computadoras que están disponibles en la actualidad son capaces de calcular el comportamiento de moléculas simples con bastante precisión. Sin embargo, esto es casi imposible para la enzima nitrogenasa y su centro activo, que es simplemente demasiado complejo, explica Reiher.

En este contexto, La complejidad es un reflejo de cuántos electrones interactúan entre sí dentro de la molécula a distancias relativamente largas. Cuantos más electrones deba tener en cuenta un investigador, cuanto más sofisticados sean los cálculos. "Los métodos existentes y las supercomputadoras clásicas se pueden utilizar para evaluar moléculas con alrededor de 50 electrones que interactúan fuertemente como máximo, "dice Reiher. Sin embargo, hay un número significativamente mayor de tales electrones en el centro activo de una enzima nitrogenasa. Porque con las computadoras clásicas el esfuerzo requerido para evaluar una molécula se duplica con cada electrón adicional, se necesita una cantidad poco realista de poder computacional.

Otra arquitectura de computadora

Como lo demostraron los investigadores de ETH, Las computadoras cuánticas hipotéticas con solo 100 a 200 bits cuánticos (qubits) serán potencialmente capaces de calcular subproblemas complejos en unos pocos días. Los resultados de estos cálculos podrían usarse para determinar el mecanismo de reacción de la nitrogenasa paso a paso.

El hecho de que las computadoras cuánticas sean capaces de resolver tareas tan desafiantes es en parte el resultado del hecho de que están estructuradas de manera diferente a las computadoras clásicas. En lugar de requerir el doble de bits para evaluar cada electrón adicional, las computadoras cuánticas simplemente necesitan un qubit más.

Sin embargo, Queda por ver cuándo estarán disponibles esas computadoras cuánticas "moderadamente grandes". Las computadoras cuánticas experimentales actualmente existentes utilizan del orden de 20 qubits rudimentarios respectivamente. Tomará al menos otros cinco años, o más probablemente diez, antes de que tengamos computadoras cuánticas con procesadores de más de 100 qubits de alta calidad, estima Reiher.

Producción masiva y trabajo en red

Los investigadores enfatizan el hecho de que las computadoras cuánticas no pueden manejar todas las tareas, por lo que servirán como complemento de las computadoras clásicas, en lugar de reemplazarlos. "El futuro estará determinado por la interacción entre las computadoras clásicas y las computadoras cuánticas, "dice Troyer.

Con respecto a la reacción nitrogenasa, Las computadoras cuánticas podrán calcular cómo se distribuyen los electrones dentro de una estructura molecular específica. Sin embargo, Las computadoras clásicas todavía necesitarán decirles a las computadoras cuánticas qué estructuras son de particular interés y, por lo tanto, deben calcularse. "Las computadoras cuánticas deben considerarse más como un coprocesador capaz de hacerse cargo de tareas particulares de las computadoras clásicas, lo que les permite ser más eficientes, "dice Reiher.

Explicar el mecanismo de la reacción de la nitrogenasa también requerirá más que solo información sobre la distribución de electrones en una sola estructura molecular; Por supuesto, esta distribución debe determinarse en miles de estructuras. Cada cálculo lleva varios días. "Para que las computadoras cuánticas sean útiles para resolver este tipo de problemas, primero deberán producirse en masa, lo que permite que los cálculos se realicen en varias computadoras al mismo tiempo, "dice Troyer.