Los especialistas esperan nada menos que una revolución tecnológica de las computadoras cuánticas, que esperan les permita pronto resolver problemas que actualmente son demasiado complejos para las supercomputadoras clásicas. Las áreas de aplicación comúnmente discutidas incluyen el cifrado y descifrado de datos, así como problemas especiales enlos campos de la física, la química cuántica y la investigación de materiales.
Pero cuando se trata de preguntas concretas que solo las computadoras cuánticas pueden responder, los expertos han permanecido relativamente vagos. Los investigadores de ETH Zurich y Microsoft Research ahora presentan una aplicación específica por primera vez en la revista científica PNAS : evaluando una reacción química compleja. En base a este ejemplo, los científicos muestran que las computadoras cuánticas pueden entregar resultados científicamente relevantes.
Un equipo de investigadores dirigido por los profesores de ETH Markus Reiher y Matthias Troyer utilizó simulaciones para demostrar cómo se podía calcular una reacción química compleja con la ayuda de una computadora cuántica. Para lograr esto, la computadora cuántica debe ser de "tamaño moderado,"dice Matthias Troyer, quien es profesor de física computacional en ETH Zurich y actualmente trabaja para Microsoft. El mecanismo de esta reacción sería casi imposible de evaluar solo con una supercomputadora clásica, especialmente si los resultados son lo suficientemente precisos.
una de las enzimas más complejas
Los investigadores eligieron una reacción bioquímica particularmente compleja como el ejemplo para su estudio: gracias a una enzima especial conocida como una nitrógenoasa, ciertos microorganismos pueden dividir las moléculas de nitrógeno atmosférico para crear compuestos químicos con átomos de nitrógeno únicos. Todavía esse desconoce cómo funciona exactamente la reacción de la nitrógenoasa. "Este es uno de los mayores misterios sin resolver en química", dice Markus Reiher, profesor de Química Teórica en ETH Zurich.
Las computadoras que están disponibles hoy en día pueden 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 en distancias relativamente largas. Cuantos más electrones debe tener en cuenta un investigador, más sofisticados son los cálculos ". Los métodos existentes y las supercomputadoras clásicas puedense usa para evaluar las 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 duplicacon cada electrón adicional, se necesita una cantidad irreal de potencia computacional.
Otra arquitectura de computadora
Como lo demostraron los investigadores de ETH, las computadoras cuánticas hipotéticas con solo 100 a 200 bits cuánticos qubits potencialmente podrán calcular subproblemas complejos en unos pocos días. Los resultados de estos cálculos podrían usarse para determinar el mecanismo de reacción denitrógenoasa paso a paso.
Que las computadoras cuánticas sean capaces de resolver tareas tan desafiantes es en parte el resultado del hecho de que están estructuradas de manera diferente a las computadoras clásicas. En lugar de requerir el doble de bits para evaluar cada electrón adicional, las computadoras cuánticas simplemente necesitan un qubit más.
Sin embargo, queda por ver cuándo estarán disponibles tales computadoras cuánticas "moderadamente grandes". Las computadoras cuánticas experimentales existentes en la actualidad se usan en el orden de 20 qubits rudimentarios respectivamente. Tomará al 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 redes
Los investigadores enfatizan el hecho de que las computadoras cuánticas no pueden manejar todas las tareas, por lo que servirán como un complemento de las computadoras clásicas, en lugar de reemplazarlas. "El futuro estará determinado por la interacción entre las computadoras clásicas y las computadoras cuánticas", dice Troyer.
Con respecto a la reacción de la nitrógenoasa, las computadoras cuánticas podrán calcular cómo se distribuyen los electrones dentro de una estructura molecular específica. Sin embargo, las computadoras clásicas aún necesitarán decirle a las computadoras cuánticas qué estructuras son de particular interés y, por lo tanto, deben calcularse."Las computadoras cuánticas deben considerarse más como un coprocesador capaz de asumir tareas particulares de las computadoras clásicas, lo que les permite ser más eficientes", dice Reiher.
Explicar el mecanismo de la reacción de nitrogenasa también requerirá más que solo información sobre la distribución de electrones en una sola estructura molecular; de hecho, esta distribución debe determinarse en miles de estructuras. Cada cálculo lleva varios días ".Para que las computadoras sean útiles para resolver este tipo de problemas, primero deberán producirse en masa, lo que permitirá que los cálculos se realicen en varias computadoras al mismo tiempo ", dice Troyer.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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