Computació Quàntica en Química Quàntica: la molècula d’hidrogen

Fins ara, la computació quàntica estava restringida a casos especials, normalment relacionats amb les ciències de la informació. Ara fa unes setmanes, però, la revista Nature Chemistry va publicar un article on s’hi feia un càlcul real de la molècula d’hidrogen, fent servir un ordinador quàntic basat en tècniques fotòniques. Ho va recollir Chemistry World amb una entrada titulada Quantum computer hits hydrogen bullseye (amb la foto que il.lustra aquesta entrada, que és l’ordinador quàntic que es va fer servir). L’article es troba al repositori Arxiv, a part del propi Nature Chemistry (accés restringit)

Es tracta de la primera computación quàntica d’un sistema quàntic (amb un ordinador clàssic aquest càlcul és molt ràpid, potser centèsimes de segon). És a dir, de la determinació de la corba d’energia potencial de la molècula d’hidrogen: per un cantó l’energia de dissociació i la distància d’equilibri, per un segon les energies de diversos estats electrònics, cosa que permet saber el seu espectre electrònic (“color”), i per un altre la forma de la corba, que permet tenir una estimació del seu espectre infraroig. Tot plegat fent servir els anomenats mètodes “ab initio”, que parteixen de l’equació de Schrödinger, sense cap paràmetre experimental.

Es tracta d’un petit pas, però que pot ser molt significatiu, com diu Kenneth Brown també a Nature Chemistry en la mateixa edició (Quantum computing: Chemistry from photons), si es poden resoldre els grans reptes que suposa la construcció experimental d’ordinadors quàntics amb molts de qubits. Però també els ordinadors clàssics semblaven una cosa d’una altra galàxia quan Alan Turing va desenvolupar els fonaments computacionals, a mitjans del Segle XX, i en canvi avui els ordinadors, la Internet i la Web 2.0 no és pas que siguin una cosa normal, és que no es poden dissociar de la pròpia societat en què vivim.

He tardat una mica en fer aquesta entrada, des que es va publicar l’article a Nature Chemistry, perquè entendre la computació quàntica no és pas senzill, fins i tot per als químics quàntics com nosaltres a l’IQC. Hem tingut la sort que en Javier García, físic que és professor associat a la UdG en sap i ens ha fet un seminari sobre l’article (després d’haver-ne fet un sobre computació quàntica més general).

El càlcul tarda uns 3 minuts, degut a la no optimització experimental, on cal moure elements materials, ja que l’ordinador està fet amb qubits de tipus fotònic i per tant amb materials per on passa llum. Un mèrit d’aquest article és que s’ha fet un càlcul de l’hidrogen fent servir un ordinador quàntic real, segurament d’una certa mida (cal recordar que els primers ordinadors digitals ocupaven sales senceres d’un edifici). Això facilitarà que les agències finançadors de la recerca, o les organitzacions més innovadores, apostin per continuar la investigació en computació quàntica. La teoria ja estava força desenvolupada, aquí hi ha una aplicació pràctica.

Crec que encara queda molt de camp per recórrer, i que costarà desenvolupar ordinadors quàntics reals amb un número més elevat de qubits i amb moltes portes quàntiques. Però potser el que m’ha sobtat més a partir de la xerrada d’en Javier i de l’article és la complexitat per preparar el propi càlcul quàntic. La preparació de l’algorisme (podríem dir-ne la preparació) no és pas senzilla per a la molècula d’hidrogen. Per a molècules més grosses, sembla que ha de ser molt complexa. Caldrà treballar perquè hi hagi sistemes d’ús general per a qualsevol sistema molecular, sobretot si es vol aplicar a molècules d’interès biològic.

Però ja que estem en l’àmbit de la química, pot haver-hi un catalitzador: Google està interessada en la computació quàntica (vincles amb D-Wave), perquè hi ha un important algorisme que permet fer cerques molt més ràpidament que no pas amb algorismes de computació clàssica. Si Google hi ajuda, segur que de retruc els químics teòrics-computacionals hi guanyarem.

(Fotos: Chemistry World, Nature Chemistry)