Yorktown Heights, Nueva York. Científicos de IBM desarrollaron un nuevo enfoque para simular moléculas en una computadora cuántica, lo que podrá un día ayudar a revolucionar la química y la ciencia de los materiales. Los científicos utilizaron con éxito un procesador cuántico de siete bits para abordar el problema de la estructura molecular del hidruro de berilio (BeH2), la molécula más grande simulada en una computadora cuántica hasta la fecha. Los resultados muestran una ruta de exploración para los sistemas cuánticos a corto plazo para realzar nuestra comprensión de las reacciones químicas complejas que podrían conducir a aplicaciones prácticas.

El equipo implementó un reciente algoritmo que es eficiente con respecto al número de operaciones cuánticas requeridas para la simulación. Usando seis qubits de un procesador de siete-qubit, fueron capaces de medir el estado de energía más bajo de BeH2, una medida clave para entender las reacciones químicas. Aunque este modelo de BeH2 puede ser simulado en una computadora clásica, el enfoque de IBM tiene el potencial de escalar hacia la investigación de moléculas más grandes -que tradicionalmente se situarían más allá del alcance de los métodos computacionales clásicos-, a medida que se construyen sistemas cuánticos más potentes. Los resultados se publicaron hoy como artículo de portada de la revista de científicos Nature. *

A fin de ayudar a mostrar cómo las computadoras cuánticas son expertas en la simulación de moléculas, los desarrolladores y usuarios de la “IBM Q experience” ahora pueden acceder a una Jupyter Notebook de química cuántica. La química cuántica de código abierto Jupyter Notebook (disponible a través del repositorio de libre acceso QISKit github) permite a los usuarios explorar un método de simulación del estado de la energía, fundamental para moléculas pequeñas como hidrógeno e hidruro de litio. Hace más de un año, IBM lanzó la iniciativa  “experiencia Q IBM”, al poner a disposición de cualquier persona el acceso libre a través de la nube, de una computadora cuántica de cinco-qubit, misma que recientemente actualizó a un procesador de 16 bits, disponible para acceso beta.

Video "Quantum and Chemistry": https://www.youtube.com/watch?v=qarc7AA4-wM

La interacción de átomos y moléculas es responsable de toda la materia que nos rodea en el mundo. Sin embargo, incluso los supercomputadores más potentes de hoy en día no pueden simular exactamente el comportamiento interactivo de todos los electrones contenidos en un compuesto químico simple como la cafeína. El objetivo es que tengamos la capacidad de usare computadoras cuánticas para analizar completamente las moléculas y las reacciones químicas, lo que podría ayudar a acelerar la investigación y conducir a la creación de nuevos materiales, el desarrollo de medicamentos más personalizados o el descubrimiento de fuentes de energía más eficientes y sostenibles .

"Gracias al laureado premio Nobel Richard Feynman, si el público sabe un poco acerca de lo es el tema cuántico, sabe que la Naturaleza es mecánica cuántica. Esto es lo que está demostrando nuestra última investigación: tenemos el potencial de usar computadoras cuánticas para impulsar nuestro conocimiento de los fenómenos naturales en el mundo ", dijo Dario Gil, vicepresidente de investigación de AI y IBM Q, IBM Research. "Anticipamos que en los próximos años, las capacidades de los sistemas IBM Q superarán lo que las computadoras convencionales actuales pueden hacer, y empezaremos a convertirnos en una herramienta para expertos en áreas como la química, la biología, la salud y la ciencia de los materiales".

"El equipo de IBM llevó a cabo una impresionante serie de experimentos que mantiene el récord como la molécula más grande jamás simulada en una computadora cuántica", dijo Alán Aspuru-Guzik, profesor de química y biología química en la Universidad de Harvard. "Cuando las computadoras cuánticas son capaces de realizar simulaciones químicas de una manera numéricamente exacta, lo más probable es que cuando tengamos una corrección de errores por realizar y un gran número de qubits lógicos, el campo es interrumpido. Las predicciones exactas resultarán en un diseño molecular que no necesita calibración con el experimento. Esto puede conducir al descubrimiento de nuevos fármacos de moléculas pequeñas o de materiales orgánicos".

En vez de forzar métodos de computación clásicos previamente conocidos sobre hardware cuántico, los científicos invirtieron el enfoque al construir un algoritmo adecuado a la capacidad de los dispositivos cuánticos disponibles actualmente. Esto permite extraer la potencia computacional cuántica máxima para resolver problemas que crecen exponencialmente más, la dificultad para las computadoras clásicas. A fin de caracterizar la potencia computacional, IBM adoptó una nueva métrica, Quantum Volume. Representa el número y la calidad de los qubits, la conectividad del circuito y las tasas de error de las operaciones. Se puede obtener más información aquí: https://ibm.biz/BdiaQe.

La química es ejemplo de un conjunto de problemas mucho más amplios que las computadoras cuánticas son potencialmente adecuadas para abordar. Las computadoras cuánticas también tienen el potencial para explorar rutinas complejas de optimización, como pueden ser las encontradas en los servicios de transporte, de logística o financieros. Incluso podrían ayudar a avanzar en la investigación machine-learning y de inteligencia artificial, basada en algoritmos de optimización. A principios de este año, científicos y colaboradores de IBM demostraron que existe una ventaja definida para ejecutar un cierto tipo de algoritmo de machine-learning en una computadora cuántica.

Para futuras aplicaciones cuánticas, IBM anticipa que ciertas partes de un problema se ejecutarán en una máquina clásica, mientras que las tareas más difíciles de calcular podrían descargarse en la computadora cuántica. Así es como las empresas y las industrias podrán adoptar la computación cuántica en su infraestructura tecnológica y sus soluciones. A fin de empezar desde hoy, los desarrolladores, programadores e investigadores pueden ejecutar algoritmos cuánticos, trabajar con bits cuánticos individuales y explorar tutoriales y simulaciones sobre la IBM Q Experience. Adicionalmente, IBM cuenta con socios comerciales que exploran aplicaciones cuánticas prácticas a través del IBM Research Frontiers Institute.

* Abhinav Kandala, Antonio Mezzacapo, Kristan Temme, Maika Takita, Markus Brink, Jerry M. Chow y Jay M. Gambetta. "Eigensolver cuantitativo Quantum para pequeñas moléculas y imanes cuánticos". doi: 10.1038 / nature23879

Redacción C21