Atom solo actúa como una computadora cuántica y simula moléculas
Una computadora cuántica ha utilizado un átomo único para modelar la dinámica compleja de las moléculas orgánicas que interactúan con la luz
Una vista dentro de la computadora cuántica de iones atrapados que llevó a cabo una simulación de química molecular.
La Universidad de Sydney/ScienceBrush.design
Un solo átomo ha realizado las primeras simulaciones cuánticas completas de cómo ciertas moléculas reaccionan a la luz. Los investigadores que llevaron a cabo la hazaña dicen que su enfoque minimalista podría acelerar drásticamente el camino hacia un ‘ventaja cuántica’ – Cuando las computadoras cuánticas podrán predecir el comportamiento de productos químicos o materiales de manera que estén fuera del alcance de las computadoras ordinarias.
“La ventaja clave de este enfoque es que es increíblemente eficiente en hardware”, dice Ting Rei Tan, un físico cuántico experimental de la Universidad de Sydney. El átomo único puede codificar la información que normalmente se extiende a través de una docena de ‘qubits’, las unidades computacionales utilizadas en la mayoría de las computadoras cuánticas. Los hallazgos fueron publicados el 14 de mayo en el Revista de la American Chemical Society.
Ninguna computadora cuántica había simulado este nivel de complejidad en los niveles de energía de las moléculas antes, dice Alán Aspuru-Guzik, químico computacional en la Universidad de Toronto en Canadá. “Este es un tour-de-force que permanecerá en los libros de historia”.
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Electrones excitados
Tan y sus colegas simularon el comportamiento de tres moléculas orgánicas diferentes, Allene, Butatriene y Pyazine, cuando son golpeados con una partícula energética llamada fotón. Cuando esto sucede, desencadena una cascada de eventos en la molécula que afecta tanto cómo se mueven sus átomos con respecto a los demás, vibrando como bolas conectadas por resortes, y cómo sus electrones saltan a una mayor energía o excitadas. Comprender la secuencia precisa de estos eventos puede ayudar a los químicos a diseñar moléculas que canalizan la energía de la manera más útil o eficiente, por ejemplo en paneles solares o en loción solar.
Los investigadores encontraron una manera de codificar estos diferentes parámetros en un solo ion Ytterbium atrapado en un vacío utilizando campos eléctricos pulsantes: las excitaciones de los electrones de la molécula correspondían a excitaciones similares en una de las electrones del ion, y dos modos vibratorios diferentes se representaron por el ion se desvanecían dentro de sus excitaciones similares en dos direcciones diferentes. El equipo también empujó el ion con pulsos láser para adaptar cómo todos los estados interactuaron entre sí. Esto obligó al ion a evolucionar con el tiempo, lo que significa que podría imitar cómo actúan las moléculas correspondientes después de ser golpeadas por un fotón.
Luego, el equipo leyó el estado de las moléculas virtuales en una secuencia de diferentes etapas midiendo la probabilidad cambiante de que el electrón del ion estuviera en un estado excitado con el tiempo.
Los resultados coincidieron con lo que se sabía sobre estas tres moléculas, lo que valida el enfoque, dice Tan. Allene, butatrieno y pirazina siguen siendo lo suficientemente simples como para ser estudiados con simulaciones de computadora ordinarias, pero se agotan en vapor cuando tienen que encarnar 20 o más modos vibratorios, lo que no es raro para moléculas más complejas.
Kenneth Brown, un ingeniero cuántico de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, llama al estudio “gran trabajo”, y dice que es la primera vez que los investigadores muestran cómo sintonizar tal técnica para imitar las propiedades de las moléculas específicas.
La simulación de la química de las moléculas y los materiales a menudo se describe como uno de los usos más prometedores para las computadoras cuánticas, pero que producirá resultados útiles solo una vez que las máquinas hayan reducido a muchos millones de qubits. Tan y sus colaboradores predicen que con su enfoque, una computadora cuántica podría hacer simulaciones útiles utilizando solo unas pocas docenas de iones.
Este artículo se reproduce con permiso y fue Primero publicado el 16 de mayo de 2025.