Algoritmo de computación cuántica podría llevar al diseño de nuevos materiales

Un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia ha desarrollado un nuevo algoritmo que podría ayudar a los ordenadores cuánticos a calcular la energía molecular y llevar al diseño de nuevos materiales. El algoritmo utiliza los bits cuánticos más avanzados hasta la fecha para calcular la energía del estado fundamental, que es el estado de menor energía en un sistema mecánico cuántico.

El nuevo estudio se publicó en Nature.

Cálculo de la energía del estado fundamental

El algoritmo fue desarrollado por el profesor de química de Columbia, David Reichman, y el investigador postdoctoral Joonho Lee, junto con investigadores de Google Quantum AI. Reduce los errores estadísticos que producen los bits cuánticos en las ecuaciones de química y utiliza hasta 16 qubits en la computadora Sycamore de 53 qubits de Google para calcular la energía del estado fundamental, que es el estado de menor energía de una molécula.

“Estos son los cálculos de química cuántica más grandes que se han realizado en un dispositivo cuántico real”, dijo Reichman.

Al poder calcular con precisión la energía del estado fundamental, los químicos podrán desarrollar nuevos materiales. Por ejemplo, el algoritmo podría utilizarse para diseñar materiales que aceleren la fijación de nitrógeno para la agricultura. Esto es solo uno de los muchos usos posibles en términos de sostenibilidad, según Lee, quien es investigador visitante en Google Quantum AI.

El algoritmo se basa en un Monte Carlo cuántico, que es un sistema de métodos para calcular la probabilidad cuando hay muchas variables aleatorias y desconocidas. Los investigadores desplegaron el algoritmo para determinar la energía del estado fundamental de tres tipos de moléculas.

Hay muchas variables que pueden influir en la energía del estado fundamental, como el número de electrones en una molécula, la dirección de su spin y las trayectorias que siguen cuando orbitan un núcleo. La energía electrónica está codificada en la ecuación de Schrödinger, que se vuelve extremadamente difícil de resolver en una computadora clásica a medida que las moléculas se vuelven más grandes. Con eso dicho, hay métodos para hacer que esto sea más fácil, y las computadoras cuánticas podrían eventualmente evitar este problema de escalabilidad exponencial.

Manejo de cálculos más grandes y complejos

Según el principio, debería ser posible para las computadoras cuánticas manejar cálculos más grandes y complejos, ya que los qubits aprovechan los estados cuánticos. Los qubits pueden existir en dos estados simultáneamente, lo que no es cierto para los dígitos binarios. Al mismo tiempo, los qubits son frágiles, y a medida que aumenta el número de qubits, la precisión en la respuesta final disminuye. Lee desarrolló el nuevo algoritmo para aprovechar el poder combinado de las computadoras clásicas y cuánticas para resolver estas ecuaciones complejas de manera más eficiente y minimizar los errores.

“Es lo mejor de ambos mundos”, dijo Lee. “Aprovechamos herramientas que ya teníamos, así como herramientas que se consideran de vanguardia en la ciencia de la información cuántica para refinar la química computacional cuántica”, dijo Lee.

El récord anterior para resolver la energía del estado fundamental se basó en 12 qubits y un método conocido como el solucionador de autovalores cuántico variacional (VQE). El problema con VQE es que no tuvo en cuenta los efectos de los electrones interactuantes, lo cual es crucial para calcular la energía del estado fundamental. Según Lee, las técnicas de correlación virtual de las computadoras clásicas podrían agregarse para ayudar a los químicos a tratar con moléculas aún más grandes.

Los nuevos cálculos híbridos clásico-cuánticos demostraron una precisión comparable a algunos de los mejores métodos clásicos, lo que sugiere que los problemas complejos podrían resolverse de manera más precisa y rápida con una computadora cuántica.

“La factibilidad de resolver problemas químicos más grandes y desafiantes solo aumentará con el tiempo”, dijo Lee. “Esto nos da esperanza de que las tecnologías cuánticas que se están desarrollando serán prácticamente útiles”.