Calcular las propiedades químicas de las moléculas podría ser un trabajo para las computadoras cuánticas
ETH Zúrich
Los cálculos de química cuántica que podrían impulsar el desarrollo de fármacos o la agricultura han surgido recientemente como una “aplicación asesina” prometedora de las computadoras cuánticas, pero un nuevo análisis sugiere que es poco probable que sea así.
El progreso en la construcción de computadoras cuánticas se ha acelerado enormemente en los últimos años, pero sigue siendo una pregunta abierta qué usos es más probable que justifiquen la inversión en curso en esta tecnología. Un candidato popular es resolver problemas de química cuántica, como calcular los niveles de energía de moléculas relevantes para la biomedicina o la industria. Esto requiere tener en cuenta el comportamiento de muchas partículas cuánticas (electrones en la molécula) simultáneamente, por lo que parece una buena combinación para computadoras hechas de muchas partes cuánticas.
Sin embargo, Xavier Waintal del CEA Grenoble (Francia) y sus colegas han demostrado ahora que dos algoritmos de computación cuántica líderes para esta tarea pueden tener, en el mejor de los casos, un uso limitado.
“Mi opinión personal es que probablemente esté condenado, no se ha demostrado que esté condenado, pero probablemente esté condenado”, dice sobre el uso de computadoras cuánticas para cálculos de energía molecular.
Los investigadores dividieron su análisis matemático en dos partes, una relacionada con las computadoras cuánticas existentes, que son todas propensas a errores, y otra relacionada con las futuras computadoras cuánticas que serían “tolerantes a fallas” o completamente a prueba de errores.
Cuando se utilizan computadoras cuánticas ruidosas o propensas a errores, los niveles de energía molecular se pueden calcular con el algoritmo de resolución propia cuántica variacional (VQE), pero la precisión de sus resultados depende de qué tan severo sea ese ruido.
El análisis del equipo encontró que para que VQE compita en precisión con los algoritmos químicos que pueden ejecutarse en computadoras convencionales, el ruido de las computadoras cuánticas debe suprimirse tan severamente que efectivamente tendrían que ser tolerantes a fallas. En particular, todavía no se ha fabricado una computadora cuántica práctica y tolerante a fallas.
Varias empresas de computación cuántica pretenden construir dispositivos cuánticos tolerantes a fallos en un plazo de cinco años y esos dispositivos podrían calcular las energías de las moléculas con un algoritmo diferente llamado estimación de fase cuántica (QPE). En este caso, el problema de los errores casi se elimina, pero el estudio subraya un problema que recibe el siniestro nombre de “catástrofe de ortogonalidad”.
En pocas palabras, esto significa que a medida que aumenta el tamaño de las moléculas, la probabilidad de que QPE pueda calcular su nivel de energía más bajo disminuye exponencialmente. Como resultado, Thibaud Louvet, miembro del equipo de la empresa francesa de computación cuántica Quobly, dice que incluso con grandes computadoras cuánticas, solo habría un pequeño número de casos en los que utilizarlas para ejecutar QPE sería la mejor y más práctica opción. En su opinión, poder ejecutar este algoritmo debería verse más como un punto de referencia de la madurez de las computadoras cuánticas que como algo que podría convertirse en un pilar para los químicos en activo.
“Es fácil exagerar las perspectivas de las computadoras cuánticas en este dominio, y muchos piensan que la llegada de las computadoras cuánticas dejará instantáneamente obsoleto cualquier enfoque clásico de la química cuántica”, dice George Booth del King’s College de Londres, que no participó en el trabajo. “Este estudio es claro al señalar desafíos importantes para la simulación molecular precisa, que persistirán incluso en la ‘era tolerante a fallas’, y arroja dudas sobre si la química cuántica es realmente una victoria tan rápida para las computadoras cuánticas”.
Pero dice que todavía hay otras formas en que las computadoras cuánticas podrían usarse en química. Por ejemplo, podrían simular cómo cambian los sistemas químicos después de haber sido perturbados, como por ejemplo al ser alcanzados por una luz láser.
Temas: