Un grupo internacional de investigadores ha logrado la primera demostración multi-qubit del mundo de un cálculo de química cuántica realizado en un sistema de iones atrapados, una de las principales plataformas de hardware en la carrera para desarrollar una computadora cuántica universal.
La investigación, dirigida por el físico de la Universidad de Sydney, Dr. Cornelius Hempel, explora una vía prometedora para desarrollar formas efectivas de modelar enlaces y reacciones químicas utilizando computadoras cuánticas. Se publica hoy en Revisión física X de la American Physical Society.
"Incluso las supercomputadoras más grandes luchan por modelar con precisión cualquier cosa que no sea la química más básica. Las computadoras cuánticas que simulan la naturaleza, sin embargo, desbloquean una forma completamente nueva de entender la materia. Nos proporcionarán una nueva herramienta para resolver problemas en la ciencia de los materiales,medicina y química industrial usando simulaciones "
Con la computación cuántica aún en pañales, aún no está claro exactamente qué problemas serán más efectivos para resolver estos dispositivos, pero la mayoría de los expertos coinciden en que la química cuántica será una de las primeras 'aplicaciones asesinas' de esta tecnología emergente.
La química cuántica es la ciencia de comprender los enlaces y reacciones complicadas de las moléculas usando la mecánica cuántica. Las 'partes móviles' de cualquier cosa que no sean los procesos químicos más simples están más allá de la capacidad de las supercomputadoras más grandes y más rápidas.
Al modelar y comprender estos procesos utilizando computadoras cuánticas, los científicos esperan desbloquear vías de baja energía para las reacciones químicas, permitiendo el diseño de nuevos catalizadores. Esto tendrá enormes implicaciones para las industrias, como la producción de fertilizantes.
Otras posibles aplicaciones incluyen el desarrollo de células solares orgánicas y mejores baterías a través de materiales mejorados y el uso de nuevos conocimientos para diseñar medicamentos personalizados.
En colaboración con colegas del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica en Innsbruck, Austria, el Dr. Hempel utilizó solo cuatro qubits en un dispositivo de 20 qubit para ejecutar algoritmos para simular los enlaces de energía del hidrógeno molecular y el hidruro de litio.
Estas moléculas relativamente simples se eligen porque se entienden bien y se pueden simular usando computadoras clásicas. Esto permite a los científicos verificar los resultados proporcionados por las computadoras cuánticas en desarrollo.
El Dr. Hempel dijo: "Esta es una etapa importante del desarrollo de esta tecnología, ya que nos permite establecer puntos de referencia, buscar errores y planificar las mejoras necesarias".
En lugar de apuntar a la simulación más precisa o más grande hasta la fecha, el trabajo del Dr. Hempel se centró en lo que puede salir mal en un prometedor algoritmo híbrido cuántico-clásico conocido como eigensolver cuántico variacional o VQE.
Al observar diferentes formas de codificar el problema de la química, los investigadores buscan formas de suprimir los errores que surgen en las computadoras cuánticas imperfectas de hoy y obstaculizan la utilidad a corto plazo de esas máquinas.
La supresión de errores es el núcleo de la investigación realizada en el Laboratorio de Control Cuántico de la Universidad de Sydney, dirigido por el Profesor Michael Biercuk, quien recientemente lanzó la primera puesta en marcha cuántica privada de Australia, Q-CTRL. El Dr. Hempel, quien realizó los experimentos mientras estaba enla Universidad de Innsbruck, ahora espera aprovechar la experiencia de Sydney para mejorar lo que se puede lograr con este tipo de simulaciones.
El artículo, publicado hoy en la revista Revisión física X , fue escrito conjuntamente con el profesor de Innsbruck Rainer Blatt, pionero en computación cuántica, y el ex profesor de Harvard Alán Aspuru-Guzik, quien desde entonces se mudó a la Universidad de Toronto.
El profesor Blatt, de IQOQI en Innsbruck, dijo: "La química cuántica es un ejemplo donde las ventajas de una computadora cuántica pronto se harán evidentes en aplicaciones prácticas".
El Dr. Ivan Kassal, director del dominio de ciencias cuánticas de la Universidad de Sydney Nano Institute, dijo: "Este trabajo es una implementación notable de uno de los enfoques más prometedores de la química cuántica, demostrando su valía en un verdadero procesador de información cuántica".
Dijo que la decisión del Dr. Hempel de mudarse a la Universidad de Sydney en 2016 fue una excelente adición al fuerte equipo cuántico en el campus. "La química teórica y la ciencia de los materiales son fortalezas en esta universidad y se verán reforzadas por estas últimas técnicas encomputación cuántica ", dijo.
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Materiales proporcionados por Universidad de Sydney . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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