«La computación cuántica en su formulación más amplia parece tener dos o tres nichos de aplicación. Uno muy obvio es la simulación de sistemas cuánticos, algo que suena muy exótico pero que en el fondo consiste en simular objetos, como pequeñas moléculas o macromoléculas, o incluso materiales. Estos sistemas se describen con mecánica cuántica, por lo que ya hay investigadores trabajando en cómo traducirlos al ordenador cuántico de forma eficiente. De hecho, hay artículos que proponen soluciones a problemas con pequeñas moléculas de dos o tres átomos que nos permiten comprender cómo se hace y desarrollar las técnicas».
Estas palabras las pronunció Juan José García Ripoll, un investigador del Instituto de Física Fundamental del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), durante la conversación que mantuve con él en octubre de 2019. Juan José desarrolla su actividad investigadora dentro del grupo de información cuántica y fundamentos de teoría cuántica, por lo que es evidente que sabe lo que dice. Han pasado ya cinco años desde que tuve la ocasión de hablar con él y los ordenadores cuánticos han avanzado mucho desde entonces, pero esta declaración en particular es el germen de la buenísima noticia en la que estamos a punto de indagar.
En el futuro los ordenadores cuánticos podrán modelar sistemas complejos
En agosto de 2020 un equipo de investigadores de Google llevó a cabo la primera simulación cuántica de una reacción química sencilla. La protagonista de aquel hito fue una molécula conocida como diaceno que está constituida por dos átomos de nitrógeno y otros dos de hidrógeno que interaccionan dando lugar a diferentes configuraciones a partir de la forma en que los átomos de hidrógeno quedan enlazados con los de nitrógeno. Esta simulación puede llevarse a cabo con un ordenador clásico, y, de hecho, los investigadores de Google confirmaron que el resultado que obtuvieron con su ordenador cuántico era correcto recurriendo a ordenadores clásicos.
Investigadores del King’s College y el Laboratorio Cavendish han conseguido simular la hemocianina, que es una proteína involucrada en el transporte del oxígeno y el desarrollo de vacunas contra el cáncer, utilizando algoritmos cuánticos
Lo importante de este logro no fue la simulación concreta que ejecutaron estos investigadores; lo realmente relevante fue que por primera vez unos científicos habían conseguido simular una reacción química con un ordenador cuántico. Desde entonces otros grupos de investigación han continuado trabajando en esta área, y hace apenas unos días varios científicos del King’s College de Londres y el Laboratorio Cavendish de Cambridge han publicado en el repositorio de acceso abierto arXiv un interesantísimo artículo en el que explican que han conseguido simular la hemocianina, que es una proteína involucrada en el transporte del oxígeno y el desarrollo de vacunas contra el cáncer, utilizando algoritmos cuánticos.
Los superordenadores clásicos tienen serias dificultades para enfrentarse a este tipo de simulaciones debido a que son tan complejas que requieren un esfuerzo computacional titánico. Afortunadamente, los ordenadores cuánticos ya empiezan a demostrar que son muy adecuados para llevar a cabo estas tareas. La dificultad de esta simulación reside en lo complejo que es capturar las interacciones que se producen entre los átomos de cobre y los ligandos de oxígeno dentro de la hemocianina. Curiosamente, estos investigadores han logrado su objetivo utilizando dos herramientas muy importantes en los ámbitos de la computación cuántica y la física teórica: el solucionador de autovalores cuántico variacional y el modelo de impureza de Anderson.
En este artículo no necesitamos indagar a fondo en estos mecanismos, pero nos viene bien conocer que el solucionador de autovalores cuántico variacional es un algoritmo híbrido que combina características clásicas y cuánticas con el propósito de resolver problemas de química cuántica y física de materiales. Por otro lado, el modelo de impureza de Anderson es un modelo teórico que se emplea para estudiar cómo una impureza presente en un sistema condiciona las propiedades electrónicas de los materiales.
En cualquier caso lo que realmente nos interesa es que, a pesar de las limitaciones que impone el hardware cuántico actual, este estudio sugiere que los ordenadores cuánticos en el futuro podrán modelar sistemas complejos e intensamente correlacionados. Aún estamos lejos de alcanzar todo el potencial de la computación cuántica para simulaciones moleculares a gran escala, pero el modelo de la hemocianina puede tener un rol muy relevante en el futuro desarrollo de vacunas contra determinados tipos de cáncer. Esta tecnología ilusiona, especialmente en este campo. Esperemos que la llegada de los ordenadores cuánticos plenamente funcionales marque un punto de inflexión en el desarrollo de fármacos.
Imagen | IBM
Más información | arXiv
