Los investigadores de Google Quantum AI han logrado un importante paso adelante al aprovechar su computadora cuántica Willow para mejorar la interpretación de los datos de resonancia magnética nuclear (RMN). Esta técnica ampliamente utilizada en química y biología es crucial para comprender los detalles moleculares, y el trabajo de Google sugiere que las computadoras cuánticas pronto podrían brindar una valiosa ayuda en este campo.
Por qué esto es importante
Si bien las computadoras cuánticas son más conocidas por su potencial para descifrar la criptografía moderna (aunque los dispositivos actuales no son lo suficientemente potentes para hacerlo), también son prometedoras para acelerar el descubrimiento de fármacos y la ciencia de materiales. Estos campos implican inherentemente fenómenos cuánticos complejos, lo que los hace muy adecuados para la computación cuántica. La última demostración de Google destaca cómo las computadoras cuánticas pueden efectivamente “hablar el mismo idioma que la naturaleza”, revolucionando potencialmente el análisis molecular.
Ecos cuánticos y RMN: un enfoque novedoso
El equipo se centró en un protocolo computacional llamado Quantum Echoes, que se basa en un concepto similar al “efecto mariposa”. Este efecto describe cómo un pequeño cambio en una parte de un sistema puede desencadenar grandes consecuencias en otras partes. Los investigadores utilizaron este principio en Willow, utilizando 103 qubits para simular el comportamiento molecular.
Cómo funciona: simulación de perturbaciones moleculares
El proceso implica una serie de pasos:
- Manipulación del estado cuántico: Los investigadores aplican inicialmente una secuencia específica de operaciones a los qubits, alterando sus estados cuánticos de forma controlada.
- Perturbación controlada: Un solo qubit se perturba deliberadamente, actuando como una “mariposa cuántica”.
- Inversión y medición: La secuencia original de operaciones se aplica a la inversa y se miden las propiedades cuánticas resultantes de los qubits.
- Análisis matemático: El análisis de estas propiedades cuánticas proporciona información sobre todo el sistema, incluidos detalles sobre la estructura de la molécula.
Este enfoque refleja el proceso de RMN utilizado en los laboratorios, que implica empujar moléculas con ondas electromagnéticas y analizar las reacciones para determinar las posiciones relativas de los átomos, actuando esencialmente como una “regla molecular”. Al emular este proceso con qubits, los investigadores pueden potencialmente “ver entre átomos” que están más separados.
Rendimiento y potencial
El equipo estima que ejecutar un protocolo similar en una supercomputadora convencional llevaría aproximadamente 13.000 veces más. Además, la capacidad de lograr los mismos resultados en dos computadoras cuánticas diferentes demuestra la confiabilidad y coherencia del protocolo Quantum Echoes. Esta mejora se debe en gran medida a mejoras en el hardware de Willow, específicamente a una reducción en las tasas de error de qubit.
Limitaciones actuales y perspectivas futuras
Si bien es prometedor, el trabajo del equipo aún es preliminar. Los experimentos actuales sólo utilizan hasta 15 qubits y los resultados aún pueden replicarse utilizando métodos convencionales. Además, los resultados no han pasado por un proceso formal de revisión por pares.
Los expertos coinciden en que esta aplicación de los ecos cuánticos es muy prometedora, aunque su utilidad se limita actualmente a estudios biológicos especializados. Crear un vínculo entre técnicas establecidas como la RMN y los cálculos cuánticos es un importante paso adelante. Sin embargo, para seguir avanzando es necesario abordar las limitaciones y demostrar una clara ventaja sobre los métodos existentes.
Los investigadores se centran en reducir las tasas de error de qubits y aumentar el número de qubits utilizados en el protocolo, permitiendo el análisis de moléculas progresivamente más grandes y complejas. El objetivo final es hacer de esta técnica una herramienta valiosa para científicos de diversos campos.
La cuestión de la determinación de la estructura molecular es extremadamente importante y relevante. Crear una conexión entre una técnica establecida como la RMN y los cálculos realizados en una computadora cuántica es un paso importante, pero por el momento, la utilidad de la técnica probablemente se limitaría a estudios altamente especializados en biología. — Keith Fratus, Simulaciones cuánticas HQS
La búsqueda de aplicaciones informáticas cuánticas continúa y, si bien Quantum Echoes on Willow es una demostración experimental impresionante, su amplio uso depende de la superación de las limitaciones actuales y, en última instancia, de demostrar su superioridad sobre los métodos convencionales. Hasta entonces, seguirá siendo una herramienta valiosa para los teóricos de la física involucrados en el estudio fundamental de los sistemas cuánticos.
