Una computadora cuántica de IBM en la Clínica Cleveland, una de las dos utilizadas para simular una molécula grande sin precedentes
Kincaid/IBM
Uno de los usos más prometedores de las computadoras cuánticas es simular proteínas que podrían ayudarnos a descubrir nuevos fármacos, pero actualmente estos dispositivos son demasiado propensos a errores para esta tarea. Sin embargo, dos ordenadores cuánticos han batido un récord de simulación (determinando las propiedades de una molécula con 12.635 átomos) con ayuda de superordenadores.
Para comprender el comportamiento de las moléculas de los fármacos, necesitamos precisar los estados cuánticos y las energías de sus electrones, un problema cuántico que a menudo sólo puede resolverse de forma aproximada en computadoras convencionales.
Una colaboración entre investigadores de la Clínica Cleveland en Ohio, la empresa tecnológica estadounidense IBM y el instituto científico japonés RIKEN ha recurrido a las computadoras cuánticas, que “hablan” la física cuántica por defecto. Desarrollaron un enfoque híbrido que combina computadoras cuánticas y supercomputadoras convencionales y lo usaron para simular dos moléculas de tamaño sin precedentes, una de ellas aproximadamente 40 veces más grande que la molécula más grande del pasado simulada usando una computadora cuántica.
“Este ha sido un sueño para mí y aquí estamos”, dice Kenneth Merz, miembro del equipo de la Clínica Cleveland.
Los investigadores utilizaron dos ordenadores cuánticos IBM Heron, uno ubicado en RIKEN y otro en la Clínica Cleveland, y dos superordenadores llamados Fugaku y Miyabi-G, que se encuentran entre los más potentes del mundo. Para las moléculas, el equipo eligió dos combinaciones de una proteína y una molécula pequeña, o “complejos proteína-ligando”, que según Merz están bien estudiados y son populares como ejemplos fundamentales en las ciencias biomédicas. El equipo también los simuló en una capa de agua, acercando los resultados a la imitación de cómo los investigadores trabajan con las moléculas en el laboratorio.
Las computadoras cuánticas por sí solas tienen actualmente una utilidad limitada debido a su tamaño relativamente pequeño –lo que limita la potencia de cálculo– y su propensión a cometer errores. Así, el equipo dividió el trabajo de simulaciones moleculares entre las cuatro máquinas, utilizando los ordenadores cuánticos sólo para calcular propiedades específicas de algunos fragmentos de las moléculas. Luego, el resultado se entregó a las supercomputadoras, y todo el cálculo fue un ida y vuelta entre los dos tipos de computadoras durante más de 100 horas. Aun así, el equipo cree que el proceso fue más rápido de lo que habría sido sin el hardware cuántico, afirma Jerry Chow de IBM. Las simulaciones también estimaron las energías más bajas de las moléculas con una precisión competitiva con algunos métodos más estándar, aunque aún no inequívocamente superior.
Junyu Liu, de la Universidad de Pittsburgh en Pensilvania, dice que el equipo ofrece algo que es difícil de conseguir: es decir, pasos prácticos hacia cálculos cuánticos útiles utilizando hardware que está realmente en uso. Añade que “la escala del experimento es realmente impresionante”.
La molécula simulada tenía 12.635 átomos.
IBM
Liu también dice que se debe fomentar el nuevo enfoque como una forma de hacer que las computadoras cuánticas sean útiles incluso antes de que sean a prueba de errores. Sin embargo, todavía es una cuestión abierta si se puede demostrar matemáticamente rigurosamente que hay casos en los que el método híbrido siempre garantizará un rendimiento superior (ventaja cuántica).
Chow dice que si bien el trabajo actual indica que el hardware cuántico podría ser superior en algunas partes del cálculo, el nuevo registro de simulación es sólo un primer paso, más que definitivo. “Existe una tendencia a ir más allá de lo que se puede hacer”, afirma. “Para mí, lo emocionante es que esto apenas está comenzando”.
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