La carrera hacia la primera computadora cuántica práctica está en plena marcha. Compañías, países, colaboradores, y los competidores de todo el mundo están compitiendo por la supremacía cuántica. Google dice que ya está ahí. Pero ¿qué significa eso? ¿Cómo sabrá el mundo cuándo se ha logrado?

Usando computadoras clásicas, Los científicos computacionales de PNNL han establecido una marca que un sistema cuántico debería superar para establecer la supremacía cuántica en el ámbito de la química.

Esto se debe a que las computadoras clásicas más rápidas disponibles en la actualidad son cada vez mejores en la simulación de lo que se espera que haga una computadora cuántica. Para demostrar su valía en el mundo real una computadora cuántica deberá ser capaz de superar lo que puede hacer una supercomputadora rápida. Y ahí es donde el equipo liderado por la PNNL ha establecido un punto de referencia para superar a las computadoras cuánticas.

"La simulación clásica de problemas de química cuántica sirve como un objetivo para las computadoras cuánticas, "dijo Karol Kowalski, químico computacional en PNNL. "Cuando una computadora cuántica puede superar lo que pueden hacer nuestros mejores sistemas informáticos en paralelo, Los desarrolladores de computación cuántica sabrán que están donde deben estar. Este es un punto de referencia para inspirar la innovación ".

A 113 electrones, La simulación de referencia reciente es el sistema cuántico más grande jamás simulado con este nivel preciso de precisión utilizando una computadora clásica. Trabajando con colaboradores en Hungría y la República Checa, el equipo de PNNL estableció el punto de referencia al simular la estructura de una estructura química importante en la nitrogenasa, una enzima que convierte el nitrógeno de la atmósfera en fertilizante utilizable para las plantas. La enzima es objeto de un intenso estudio porque puede ser clave para producir suficientes alimentos para alimentar a una población mundial en constante crecimiento.

Entender cómo esta enzima es capaz de romper el fuerte triple enlace del nitrógeno, gastando muy poca energía, podría ser clave para el nuevo diseño de catalizadores, eventualmente proporcionando abundantes fertilizantes que se producen actualmente mediante un proceso químico que requiere grandes insumos de energía.

Reduciendo el problema de la química cuántica

"La química cuántica compleja es exactamente el tipo de problema en el que tener una computadora cuántica disponible realmente podría marcar la diferencia". "dijo Sriram Krishnamoorthy, un experto en computación de alto rendimiento y científico líder en computación cuántica en PNNL. "Estamos trabajando en la creación de programas que se ejecutarán en computadoras cuánticas.

"Cuando lleguen las computadoras cuánticas, estaremos listos para ellos, "dijo Krishnamoorthy.

Krishnamoorthy, Kowalski, y sus colegas de PNNL están trabajando en colaboración con socios de Microsoft, a través del Northwest Quantum Nexus, tanto para simular cómo funcionará una computadora cuántica como para escribir programas que funcionarán en cualquier computadora cuántica que surja de la intensa competencia global.

"Computadoras convencionales, incluidas las supercomputadoras más rápidas de la actualidad, son inadecuados para simular sistemas cuánticos necesarios para describir sistemas y procesos moleculares importantes y desafiantes, ", dijo Kowalski." Se necesitan mejores herramientas computacionales para comprender los sistemas químicos y diseñar nuevos materiales ".

Hasta que esté disponible una computadora cuántica a gran escala, El equipo de PNNL trabajó con expertos de Microsoft para desarrollar un puente entre las computadoras digitales actuales y lo que vendrá después. El flujo de trabajo aprovecha lo que hacen bien las computadoras clásicas ahora, mientras utiliza las capacidades actuales de la computación cuántica para describir las transformaciones químicas relevantes para los procesos industriales, como la generación y el almacenamiento de energía.

La clave, según el equipo de investigación, era tomar la salida de una computadora clásica y poder convertir esa información en una entrada que pueda ser interpretada por una computadora cuántica. Los investigadores publicaron ese método de computación cuántica a mediados de 2019.

Desde entonces, el equipo de PNNL ha dado otro gran paso en la unión de las computadoras clásicas y cuánticas. Desarrollaron un algoritmo informático que aprovecha un truco matemático llamado "plegado hacia abajo". Esencialmente, El plegado hacia abajo hace posible cálculos difíciles y que consumen mucho tiempo en las computadoras cuánticas actuales del banco de pruebas.

"Esto es como encoger una caja grande en una caja mucho más pequeña, "dijo Kowalski." En este caso, la caja representa un enorme espacio numérico. Usamos una descripción más compacta en una computadora cuántica, y lo que sale representa con precisión la energía de un sistema mucho más grande. Es un puente entre la computación clásica y lo que será la computación cuántica en los próximos años ".

Puede parecer un truco de magia matemática, pero Kowalski agrega que el método usa propiedades de la mecánica cuántica y una serie de teorías matemáticas rigurosas que son confiables y reproducibles.

Abriendo nuevas puertas

El método de plegado descendente no solo abre avenidas a la computación cuántica, también hace posible nuevas, formas mucho más eficientes y precisas de analizar y validar la gran cantidad de datos generados todos los días a partir de la inversión de los EE. UU. en fuentes de luz compatibles con el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) que se utilizan para estudiar nuestro mundo en detalle subatómico.

"Hemos demostrado cómo se puede analizar el comportamiento cuántico de los estados electrónicos excitados con plegamiento hacia abajo hamiltoniano, ", dijo Kowalski." Esto proporciona una forma de utilizar la teoría para validar la interpretación de los datos ".

Estos pasos intermedios en el camino hacia la computación cuántica son esenciales porque proporcionan puntos de referencia esenciales que ayudan a mostrar cuán cerca está el mundo de lograr la supremacía cuántica.

"Podremos probar la salida de las computadoras cuánticas con estos cálculos, ", dijo Krishnamoorthy." Si las computadoras cuánticas pueden producir resultados cercanos a estos resultados, sabremos que funcionan ".