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Un simulador cuántico analógico para resolver problemas químicos

Un equipo científico liderado por los físicos españoles Ignacio Cirac y Javier Argüello-Luengo ha propuesto un modelo alternativo para la realización de simulaciones químicas de moléculas. El simulador ha sido probado con éxito para reproducir el comportamiento de la capa de electrones de una molécula de hidrógeno.

Visualización del simulador cuántico propuesto, en el que los átomos ultrafríos se mueven en un entramado óptico actuando como átomos moleculares. / Javier Argüello Luengo. / MPQ

La búsqueda de nuevas sustancias y el desarrollo de nuevas técnicas en la industria química se realiza a menudo mediante simulaciones por ordenador de moléculas o reacciones. Pero incluso los superordenadores más avanzados son incapaces de resolver los problemas más complejos.

“Los ordenadores cuánticos digitales capaces de resolver problemas químicos van a tardar en llegar, ya que requieren el control de millones de cúbits”, dice Cirac

Ahora, un equipo liderado por el físico español Ignacio Cirac, director del departamento de Teoría del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) en Garching (Alemania), ha propuesto un simulador cuántico analógico que imita la química cuántica de las moléculas. Los detalles se han publicado en el último número de la revista Nature.

Según comenta Cirac a Sinc, “los ordenadores cuánticos digitales capaces de resolver problemas de química van a tardar aún mucho tiempo en llegar, ya que requieren el control de millones de quantum bits [cúbits]. Nosotros proponemos abordar estas simulaciones químicas con un ordenador cuántico analógico”.

El investigador indica que esperan que “en los próximos años se hagan demostraciones sencillas para la resolución de problemas triviales. Pero a más largo plazo, creemos que estos simuladores cuánticos analógicos pueden resultar herramientas muy valiosas para validar otros métodos y hacer investigaciones sobre la estructura de moléculas relativamente simples, formadas por una decena de átomos”.

Investigar las propiedades de las moléculas

“Nosotros proponemos abordar estas simulaciones químicas con un ordenador cuántico analógico”, agrega

El artículo destaca que al igual que un modelo arquitectónico puede ser utilizado para probar la estática de un futuro edificio, un simulador cuántico analógico puede ayudar a investigar las propiedades de las moléculas.

El equipo, que colidera el también español Javier Argüello-Luengo, ha usado el hidrógeno –la molécula más simple de todas– para demostrar teóricamente que el simulador cuántico puede reproducir el comportamiento de la capa de electrones de una molécula real.

En su trabajo, también muestran cómo los físicos experimentales pueden construir tal simulador paso a paso. "Nuestros resultados ofrecen un nuevo enfoque para la investigación de los fenómenos que aparecen en la química cuántica", dice Argüello-Luengo.

Han demostrado teóricamente que el simulador puede reproducir el comportamiento de la capa de electrones de una molécula de hidrógeno

Hoy en día, los simuladores cuánticos ya están en uso, por ejemplo, para imitar a los cristales. Tienen una red atómica regular tridimensional, que es imitada por varios rayos láser que se cruzan. Los puntos de intersección forman algo así como los huecos de un cartón de huevos en el que se llenan los átomos. La interacción entre los átomos puede controlarse amplificando o atenuando los rayos. De esta manera, los investigadores obtienen un modelo variable en el que pueden estudiar el comportamiento atómico con gran precisión.

Los autores explican que el simulador también se puede usar en moléculas más grandes que el hidrógeno. En el futuro, la gente podrá utilizar las simulaciones de un modelo como el que se sugiere en el artículo, compararlo con un modelo computacional convencional y ajustarlo.

Javier Argüello-Luengo recalca que el trabajo de su equipo “abre la posibilidad de calcular eficientemente las estructuras electrónicas de las moléculas mediante simulación cuántica analógica. Esto hará posible una mejor comprensión de los problemas bioquímicos que son difíciles de explorar con los ordenadores de hoy en día”, concluye.

Referencia bibliográfica:

J. Argüello-Luengo, A. Gonzàlez-Tudela, T. Shi, P. Zoller & J. I. Cirac. “Analogue Quantum Chemistry Simulation”. Nature ( 9 de octubre, 2019) DOI: 10.1038/s41586-019-1614-4

Fuente: SINC
Derechos: Creative Commons
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