¿Las computadoras cuánticas ofrecen una manera de mejorar enormemente la agricultura?
A medida que las computadoras cuánticas continúan avanzando, identificar problemas que puedan resolver más rápido que las mejores computadoras convencionales del mundo se vuelve cada vez más importante, pero resulta que una tarea clave que los defensores de la tecnología cuántica consideran un objetivo futuro puede no necesitar una computadora cuántica en absoluto.
La tarea en cuestión involucra una molécula llamada FeMoco, que desempeña un papel vital para hacer posible la vida en la Tierra. Esto se debe a que es parte del proceso de fijación de nitrógeno, en el que los microbios convierten el nitrógeno atmosférico en amoníaco, haciéndolo biológicamente accesible para la mayoría de los demás organismos vivos. Cómo funciona exactamente FeMoco durante este proceso es complicado y no se comprende del todo, pero si pudiéramos descifrarlo y replicarlo a escala industrial, se podría reducir drásticamente la energía necesaria para producir fertilizantes, lo que podría conducir a un aumento en el rendimiento de los cultivos.
Un aspecto clave para comprender el FeMoco es determinar su energía más baja, o “estado fundamental”, lo que implica tener en cuenta el comportamiento de sus numerosos electrones. Pero los electrones son partículas cuánticas que pueden comportarse de forma ondulatoria y ocupar muchas regiones diferentes llamadas orbitales. Este nivel de complejidad (con muchos electrones en muchos orbitales) es la razón por la que calcular muchas de las propiedades del FeMoco ha sido, hasta ahora, difícil de resolver con las computadoras convencionales.
Los investigadores han tenido cierto éxito utilizando métodos de aproximación, pero la precisión de sus estimaciones de energía sigue siendo limitada. Por otro lado, las investigaciones matemáticas han demostrado rigurosamente que los ordenadores cuánticos, que codifican esta complejidad de forma fundamentalmente diferente, podrían resolver el problema sin aproximaciones, un ejemplo bien conocido de la llamada ventaja cuántica.
Pero ahora, Garnet Kin-Lic Chan del Instituto de Tecnología de California y sus colegas han encontrado un método de computación convencional que parece ser capaz de alcanzar la misma precisión que uno cuántico. La métrica clave ha sido la idea de “precisión química”, o la precisión mínima necesaria para hacer predicciones realistas para los procesos químicos. Basándose en sus cálculos, Chan y sus colegas sostienen que las supercomputadoras convencionales también pueden calcular la energía del estado fundamental de FeMoco con esa precisión.
FeMoco tiene muchos estados cuánticos, cada uno de los cuales tiene su propia energía, y están dispuestos en algo así como una escalera con el estado fundamental en la parte inferior. Para que alcanzar ese peldaño inferior sea más fácil para los algoritmos informáticos clásicos, los investigadores se centraron en lo que sabemos sobre los estados que se encuentran en peldaños cercanos y lo que implican sus propiedades sobre lo que puede existir uno o dos pasos por debajo. Esto incluyó, por ejemplo, conocimientos sobre las simetrías de los estados cuánticos de los electrones.
En última instancia, la simplificación permitió a los investigadores utilizar algoritmos clásicos para calcular los límites superiores de la energía del estado fundamental de FeMoco y luego extrapolarlos matemáticamente a un valor de energía con una incertidumbre que coincide con la precisión química. En otras palabras, su respuesta final sobre cuál puede ser la energía más baja de la molécula debería ser lo suficientemente precisa como para utilizarla en estudios futuros.
Los investigadores también estimaron que el método de supercomputadora puede ser incluso más rápido que los cuánticos, realizando cálculos en menos de un minuto que tomarían 8 horas en un dispositivo cuántico, aunque esta estimación supone un rendimiento ideal de supercomputadora.
Entonces, ¿eso significa que pronto entenderemos el FeMoco lo suficientemente bien como para impulsar la agricultura? No del todo: todavía quedan muchas preguntas sin respuesta sobre, por ejemplo, qué partes de la molécula interactúan más con el nitrógeno o qué moléculas pueden producirse como pasos intermedios en el proceso de fijación de nitrógeno.
“El trabajo realmente no nos dice mucho sobre el sistema FeMoco en términos de su función, pero como modelo para mostrar la ventaja cuántica, coloca el listón aún más alto para los enfoques cuánticos”, dice David Reichmann de la Universidad de Columbia en Nueva York.
Dominic Berry, de la Universidad Macquarie de Sydney, Australia, señala que si bien el trabajo del equipo muestra que los ordenadores clásicos pueden atacar el problema FeMoco, todavía son sólo capaces de realizar una aproximación, mientras que los métodos cuánticos garantizan que el problema puede resolverse por completo.
“Esto cuestiona el argumento a favor del uso de computadoras cuánticas para problemas como este, pero para sistemas más complicados, se espera que el tiempo de cálculo para los métodos clásicos aumente mucho más rápido que el de los algoritmos cuánticos”, dice.
Otro problema es que las computadoras cuánticas todavía están mejorando. Las computadoras cuánticas existentes son demasiado pequeñas y propensas a errores para abordar problemas como la energía del estado fundamental de FeMoco, pero se espera pronto una nueva generación de computadoras cuánticas tolerantes a fallas, que sean capaces de corregir sus propios errores. En términos prácticos, pueden seguir siendo la mejor manera de comprender el FeMoco y las moléculas relacionadas, afirma Berry. “La computación cuántica debería permitir que estos sistemas se resuelvan de manera mucho más general, convirtiéndolos en un cálculo de rutina cuando estén disponibles computadoras cuánticas tolerantes a fallas”.
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