¿Hacia una química cuántica?

¿Las reacciones químicas son algo sencillo? O más bien el producto de un estilo de ciencia, es decir una ciencia en la que se buscaban crear modelos más simples que la realidad misma para poder bosquejar matemáticamente y obtener control sobre procesos simples, efectivos e industrializables. Sin embargo la naturaleza de la reacción química es algo un poco más complejo, y cualquiera que haya visto una red de reacciones metabólicas podrá darse cuenta de lo enmarañado que se pone. Y Hablando de reacciones biológicas, reconocer el mecanismo de acción de las enzimas, que son los catalizadores biológicos, ha sido un problema por décadas, debido a que las enzimas reaccionan por su topología no por su secuencia completa, sin embargo hasta el momento el estudio del plegamiento de las enzimas había sido difícil debido a la complejidad de los datos presentes.

Los especialistas esperan nada menos que una revolución tecnológica de los ordenadores cuánticos, que esperan pronto les permitirá resolver problemas que son actualmente demasiado complejos para los superordenadores clásicos. Las áreas de aplicación comúnmente discutidas incluyen encriptación y descifrado de datos, así como problemas especiales en los campos de la física, la química cuántica y la investigación de materiales; con lo cual se espera un nuevo nivel de entendimiento de las redes de reacciones y de sus mecanismos, especialmente en las reacciones biológicas que dependen de enzimas para que se den de manera efectiva.

Pero cuando se trata de preguntas concretas que sólo los ordenadores cuánticos pueden responder, los expertos han permanecido relativamente evasivos. Investigadores de ETH Zurich y Microsoft Research presentan ahora una aplicación específica por primera vez en la revista científica PNAS: evaluación de una reacción química compleja. Sobre la base de este ejemplo, los científicos muestran que las computadoras cuánticas de hecho pueden entregar resultados científicamente relevantes. Un equipo de investigadores liderados por los profesores de ETH Markus Reiher y Matthias Troyer utilizaron simulaciones para demostrar cómo una compleja reacción química podía ser calculada con la ayuda de una computadora cuántica. Para lograr esto, la computadora cuántica debe ser de un "tamaño moderado", dice Matthias Troyer, profesor de Física Computacional de ETH Zurich y actualmente trabaja para Microsoft. El mecanismo de esta reacción sería prácticamente imposible de evaluar con un supercomputador clásico - especialmente si los resultados son suficientemente precisos.

Una de las enzimas más complejas

Los investigadores eligieron una reacción bioquímica particularmente compleja como ejemplo para su estudio: gracias a una enzima especial conocida como nitrogenasa, ciertos microorganismos son capaces de dividir las moléculas de nitrógeno atmosférico para crear compuestos químicos con átomos de nitrógeno únicos, proceso conocido como fijación del nitrógeno y de la cual dependen casi todos los ecosistemas del planeta, mejorar su funcionamiento generaría una revolución agrícola comparable a la introducción de las semillas híbridas y los fertilizantes. Todavía se desconoce cómo funciona exactamente la reacción de la nitrogenasa. "Este es uno de los mayores misterios sin resolver en la química", dice Markus Reiher, profesor de química teórica en la ETH Zurich. Los ordenadores que están disponibles hoy en día son capaces de calcular el comportamiento de moléculas simples con bastante precisión. Sin embargo, esto es casi imposible para la enzima nitrogenasa y su centro activo, que es simplemente demasiado complejo, explica Reiher.

En este contexto, la complejidad es un reflejo de cuántos electrones interactúan entre sí dentro de la molécula a lo largo de distancias relativamente largas. Cuantos más electrones un investigador necesite tener en cuenta, más sofisticados serán los cálculos. "Los métodos existentes y los superordenadores clásicos se pueden utilizar para evaluar moléculas con aproximadamente 50 electrones que interactúan fuertemente, como máximo", dice Reiher. Sin embargo, hay un número significativamente mayor de tales electrones en el centro activo de una enzima nitrogenasa. Porque con las computadoras clásicas el esfuerzo requerido para evaluar una molécula se duplica con cada electrón adicional, se necesita una cantidad irreal de potencia computacional clásica.

Computadoras con una arquitectura diferente

Como lo demuestran los investigadores de ETH, los ordenadores cuánticos hipotéticos con sólo 100 a 200 bits cuánticos (qubits) potencialmente serán capaces de calcular subproblemas complejos dentro de unos días. Los resultados de estos cálculos podrían ser usados para determinar el mecanismo de reacción de la nitrogenasa paso a paso.  Que los ordenadores cuánticos son capaces de resolver tales tareas desafiantes en todo es parcialmente el resultado del hecho de que están estructurados de manera diferente a los ordenadores clásicos. En lugar de requerir dos veces más bits para evaluar cada electrón adicional, los ordenadores cuánticos simplemente necesitan un qubit más. Sin embargo, todavía queda por ver cuando tales computadoras cuánticas "moderadamente grandes" estarán disponibles. Las computadoras cuánticas experimentales actualmente existentes utilizan en el orden de 20 qubits rudimentarios, respectivamente. Tomará por lo menos otros cinco años, o más probablemente diez, antes de que tengamos computadoras cuánticas con procesadores de más de 100 qubits de alta calidad, estima Reiher.

Producción en masa y conectividad

Los investigadores hacen hincapié en el hecho de que los ordenadores cuánticos no pueden manejar todas las tareas, por lo que servirán como complemento de las computadoras clásicas, en lugar de reemplazarlas. "El futuro será moldeado por la interacción entre las computadoras clásicas y las computadoras cuánticas", dice Troyer. Con respecto a la reacción de la nitrogenasa, los ordenadores cuánticos serán capaces de calcular cómo los electrones se distribuyen dentro de una estructura molecular específica. Sin embargo, las computadoras clásicas todavía necesitarán decir a los ordenadores cuánticos qué estructuras son de particular interés y por lo tanto deben ser calculadas. "Las computadoras cuánticas necesitan ser pensadas más como un co-procesador capaz de asumir tareas particulares de las computadoras clásicas, permitiéndoles así ser más eficientes", dice Reiher. Explicar el mecanismo de la reacción de nitrogenasa requerirá también más que sólo información sobre la distribución de electrones en una estructura molecular única; De hecho, esta distribución debe determinarse en miles de estructuras. Cada cálculo toma varios días. "Para que los ordenadores cuánticos sean útiles para resolver este tipo de problemas, primero tendrán que ser producidos en masa, permitiendo que los cálculos se lleven a cabo simultáneamente en varios ordenadores", dice Troyer.

Referencias principales

Reiher, M., Wiebe, N., Svore, K. M., Wecker, D., & Troyer, M. (2017). Elucidating reaction mechanisms on quantum computers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201619152.

Referencias secundarias

ETH Zurich. (2017, August 2). Clarifiying complex chemical processes with quantum computers. ScienceDaily. Retrieved August 2, 2017 from www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170802103051.htm

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