18 diciembre 2019

Cuántica: la investigación química del futuro


Javier Argüello Luengo (España, 2018) está realizando su doctorado en Fotónica en el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona (ICFO) y acaba de publicar en Nature el artículo “Analogue quantum chemistry simulation”, una innovadora investigación que ha desarrollado junto a un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, el CSIC y el Instituto de Óptica e Información Cuántica de Innsbruck.

Su investigación se centra en el desarrollo de un simulador cuántico analógico para resolver problemas de química que los ordenadores convencionales no son capaces de conseguir actualmente.

Javier explicaba hace pocos días en un hilo en Twitter algunos aspectos de su investigación: “Los arquitectos del pasado no tuvieron que esperar a la última actualización de AutoCAD para diseñar el Coliseo romano o la Sagrada Familia. ¿Cómo acertaban? Pues construían maquetas que simulaban la física del edificio. Por ejemplo, Frei Otto utilizaba películas de jabón para calcular las superficies más estables que cubrirían el estadio olímpico de Múnich”.

Este ejemplo tan gráfico que compartiste en Twitter ¿es un símil del simulador cuántico analógico?

Exacto, es un ejemplo de cómo, a lo largo de la historia, los humanos hemos confiado en simuladores analógicos para enfrentar problemas físicos que no podían resolverse con los medios de la época. Por seguir con el ejemplo, calcular la carga estructural de un edificio es un problema demasiado complejo para calcularlo a mano y, hasta que se desarrolló la computación, no teníamos ordenadores que nos ayudasen. Lo que hacían estos arquitectos era construir pequeñas maquetas en las que, con cuerdas y saquitos de arena, encontraban las formas que mejor distribuirían las cargas de su edificio. Como estas maquetas estaban sujetas a las mismas fuerzas y tensiones que el edificio final, podían ver en ellas la estructura buscada sin necesidad de calcularla. Si volvemos a nuestro tiempo, nosotros carecemos hoy de ordenadores que sean eficientes resolviendo problemas químicos, y una alternativa muy deseable sería contar con simuladores capaces de reproducir las fuerzas que sienten los electrones dentro de una molécula, que son los que determinan la mayoría de propiedades químicas relevantes en industria o bioquímica. Cómo diseñar un simulador capaz de enfrentar problemas de química es algo que hasta ahora se desconocía.

¿Cómo es entonces el simulador que habéis propuesto?

Pues, como las moléculas siguen las leyes de la cuántica, nuestro simulador necesita también seguir estas leyes. Un sistema cuántico sobre el que tenemos mucho control en el laboratorio es el descrito por átomos a bajas temperaturas. Utilizando la luz de un láser se puede manipular la forma en que estos átomos se mueven e interactúan entre sí, posibilitando desde hace más de una década simular algunos problemas cuánticos relacionados con la física de materiales o el magnetismo. El reto para aplicar ahora esta plataforma en problemas químicos es lograr que estos átomos sientan las mismas fuerzas que afectan a los electrones dentro de una molécula. Es decir, que puedan moverse, verse atraídos a ciertas posiciones nucleares, y repelerse entre sí de la misma manera que los electrones en la naturaleza. Lo que hemos encontrado en este trabajo es un esquema experimental capaz de lograrlo, y eso abre la puerta a utilizar estos simuladores como una herramienta que permita comprender mejor propiedades moleculares difíciles de calcular con otros métodos.

¿Cómo se están investigando actualmente las nuevas sustancias en la industria química?

Actualmente existe un gran interés por resolver estructuras químicas. En el campo de la biomedicina, por ejemplo, predecir la forma más estable en que los átomos de una proteína se distribuyen en el espacio permite comprender la función biológica que puede desempeñar. Estos cálculos están también detrás de la síntesis de nuevos fármacos, o del diseño de procesos industriales más eficientes. Al tratarse de un problema cuántico, los ordenadores convencionales son especialmente ineficientes para tratar problemas químicos de forma exacta, por lo que durante el último siglo se han ido desarrollando métodos numéricos cada vez más refinados para encontrar soluciones aproximadas a algunos de estos problemas, tan precisas como nuestra capacidad computacional permite. Mientras que esto es suficiente para algunas tareas, otros problemas complejos y relevantes esperan a ser resueltos por ordenadores más potentes que los que tenemos hoy, o un cambio radical en la forma de resolverlos.

En este cambio de paradigma, una alternativa muy poderosa es la de enfrentar problemas químicos ayudados por ordenadores que también sigan las leyes de la cuántica. Esta es una línea de investigación enormemente activa en los últimos años, y muy ligada al desarrollo de la computación cuántica. En las últimas semanas, Google ha anunciado un problema concreto que su ordenador cuántico de 53 qbits es capaz de resolver más rápidamente que cualquier ordenador convencional. Alcanzar también esta ventaja cuántica en problemas químicos relevantes es un desafío complejo y exigente, pero también una de las aplicaciones más ilusionantes de este campo. Para ello es necesario que estos ordenadores cuánticos sigan creciendo en tamaño y fidelidad, para lo que los expertos confían en un profundo desarrollo tecnológico durante las próximas décadas. A lo largo de este recorrido sería entonces de gran interés contar con sistemas cuánticos que, si bien no puedan configurarse para resolver cualquier problema dado, como haría un ordenador cuántico, sí estén específicamente diseñados para enfrentar problemas químicos concretos. Esta es una dirección en que los simuladores analógicos ofrecen una oportunidad muy deseable.

¿Qué aporta tu proyecto al futuro de la investigación? ¿Nos explicarías un ejemplo concreto de algún problema que ahora no tiene solución y que podría tenerla?

Una de las principales ventajas de la simulación analógica es el elevado grado de control que ofrece. Por un lado, nos permite estudiar la naturaleza en condiciones más favorables que las que encontraríamos en moléculas reales. Por ejemplo, estos electrones simulados son hasta diez mil veces más grandes que los electrones y pueden moverse hasta doce órdenes de magnitud más despacio, lo que permitiría observar cómo tiene lugar una reacción química con una nitidez y precisión temporal difícil de alcanzar en un experimento de laboratorio. Por otro lado, si bien las interacciones que sienten los electrones dentro de una molécula vienen fijadas por la naturaleza, estos simuladores permiten modificarlas a voluntad con el encendido o apagado de un láser, ofreciendo la solución exacta a problemas cuya resolución excede por ahora nuestra capacidad de cálculo.

Ahora que sabemos que la simulación analógica de problemas químicos es posible, el siguiente paso es comprobarlo experimentalmente. Esperamos que en los próximos años puedan aparecer experimentos simplificados que utilicen algunas de las estrategias que hemos desarrollado para resolver algunos problemas químicos triviales, y que abran el camino a enfrentar a más largo plazo simulaciones más complejas. En muchos casos, se desconoce cómo de buenas son las aproximaciones utilizadas en los ordenadores convencionales, y contar con un sistema cuántico con el que contrastar su precisión y corrección sería una herramienta muy poderosa para mejorar y validar los modelos químicos utilizados actualmente.