Investigadores australianos han logrado un avance significativo en el campo de la química cuántica mediante el uso de un ordenador cuántico para simular el comportamiento de moléculas reales al absorber luz. Este estudio, publicado en el Journal of the American Chemical Society, representa un paso adelante en la comprensión de procesos químicos complejos que son esenciales para diversas aplicaciones, desde la fotosíntesis en las plantas hasta la terapia contra el cáncer impulsada por la luz.
Cuando una molécula absorbe luz, se producen transformaciones cuánticas en un breve lapso de tiempo. Los electrones saltan entre niveles de energía y los átomos vibran, lo que hace que los ordenadores tradicionales tengan dificultades para simular con precisión estos procesos debido a la inmensa cantidad de potencia computacional requerida. Los ordenadores cuánticos, al ser sistemas cuánticos en sí mismos, son candidatos naturales para abordar estas simulaciones.
Innovación en la simulación cuántica
En este trabajo, los investigadores utilizaron un ordenador cuántico de iones atrapados, que manipula átomos individuales en una cámara de vacío mediante campos electromagnéticos. A diferencia de los ordenadores cuánticos tradicionales que emplean qubits para almacenar información, esta investigación introdujo un enfoque innovador conocido como simulación mixta de qudit-bosón. Este método permite simular el comportamiento de moléculas con una eficiencia superior, utilizando solo un ion atrapado y un pulso láser.
Los científicos simularon el comportamiento de tres moléculas: aleno, butatrieno y pirazina, las cuales presentan interacciones electrónicas y vibratorias complejas al absorber luz. La simulación ralentizó estos procesos en un factor de 100 mil millones, permitiendo observar interacciones que, en condiciones normales, ocurren en femtosegundos.
Un aspecto destacado de este experimento es la reducción de recursos necesarios para realizar la simulación. Mientras que un ordenador cuántico convencional requeriría 11 qubits y aproximadamente 300,000 operaciones de entrelazado, el método utilizado en esta investigación logró el mismo resultado con un solo ion. Esto representa una mejora de al menos un millón de veces en términos de eficiencia de recursos.
Además, se exploraron dinámicas de «sistemas abiertos», donde las moléculas interactúan con su entorno, un desafío considerable para los ordenadores clásicos. Al introducir ruido controlado en el entorno del ion, los investigadores replicaron cómo las moléculas reales pierden energía, evidenciando que la complejidad ambiental también puede ser capturada mediante simulaciones cuánticas.
Este avance es un paso importante hacia el objetivo de simular el comportamiento real de átomos y moléculas, facilitando la comprensión de las propiedades de diferentes materiales y potencialmente acelerando descubrimientos en medicina, energías limpias y nuestra comprensión fundamental de los procesos químicos que sustentan la vida.
Los investigadores creen que con un aumento modesto en la escala de los experimentos, utilizando entre 20 y 30 iones, las simulaciones cuánticas podrían abordar sistemas químicos de tal complejidad que no serían viables para ningún superordenador clásico. Esto podría abrir la puerta a avances rápidos en el desarrollo de fármacos y en la búsqueda de nuevas soluciones energéticas.
