Por El equipo de inteligencia artificial cuántica de Google
3 problemas del mundo real que las computadoras cuánticas podrían ayudar a resolver
Con motivo del Día Mundial de la Mecánica Cuántica, en el centenario del descubrimiento de la mecánica cuántica, analizamos cómo las computadoras cuánticas podrían algún día resolver problemas que de otro modo serían imposibles.
Este año se cumple un siglo del descubrimiento de la mecánica cuántica. Este avance ayudó a comprender que las leyes de la física que rigen el mundo que nos rodea en su nivel más pequeño (moléculas, átomos y partículas subatómicas) son fundamentalmente diferentes de las leyes que rigen nuestra interacción con los objetos en nuestra vida cotidiana. La mecánica cuántica nos ha permitido comprender los detalles de todo, desde los procesos metabólicos en el torrente sanguíneo hasta las baterías eléctricas que alimentan nuestros coches y ordenadores, y ha propiciado descubrimientos que van desde los láseres hasta los semiconductores.
La mecánica cuántica transformó la forma en que entendemos el mundo natural, y sin embargo no fue hasta 1981 que el renombrado físico Richard Feynman observó que, dado que el mundo es cuántico, si realmente queríamos una computadora que simulara eficientemente todo el mundo natural, la humanidad probablemente tendría que construir una computadora cuántica.
A lo largo de más de una década de avances científicos, Google ha logrado avances considerables en nuestra visión de construir computadoras cuánticas a gran escala con corrección de errores, capaces de resolver problemas que de otro modo serían imposibles. Para celebrar el Día Mundial de la Cuántica, exploremos tres áreas donde las computadoras cuánticas podrían mejorar nuestras vidas.
Nuevas fuentes de energía
La energía de fusión, la fuente de energía de las estrellas, promete energía limpia y abundante, pero aún no se ha materializado a gran escala. El diseño de los reactores necesarios se basa en modelos computacionales para comprender los materiales en condiciones de fusión extremas. Sin embargo, los modelos actuales carecen de precisión, a menudo no coinciden con los resultados del mundo real y requieren miles de millones de horas de CPU. En colaboración con Sandia National Laboratories , nuestros investigadores demostraron que un algoritmo cuántico ejecutado en una computadora cuántica con tolerancia a fallos podría simular de forma más eficiente los mecanismos necesarios para las reacciones de fusión sostenidas, lo que, en última instancia, podría contribuir a que la energía de fusión sea una realidad.
Mejor medicina
Los investigadores aún tienen mucho que aprender sobre los complejos sistemas biológicos del cuerpo humano, y las computadoras cuánticas pueden ayudarnos a comprenderlos mejor, por ejemplo, a comprender sistemas clave relacionados con el diseño de fármacos y nuestro metabolismo. Al calcular cómo interactuarán ciertos fármacos candidatos con sus dianas y otras moléculas biológicas, las computadoras cuánticas pueden ayudarnos a diseñar tratamientos más eficaces y a avanzar en la medicina. Por ejemplo, en colaboración con la farmacéutica Boehringer Ingelheim, hemos demostrado que las computadoras cuánticas podrán simular una estructura clave del citocromo P450, una enzima presente en los humanos, con mayor precisión y en menos tiempo que las computadoras convencionales. El citocromo P450 es una enzima crucial para determinar la eficacia de los fármacos, ya que los descompone en el torrente sanguíneo.
Mejores baterías
La necesidad mundial de energía, y la capacidad de almacenarla, crece cada año. Investigamos cómo las computadoras cuánticas podrán ayudar a diseñar nuevos materiales. Por ejemplo, en colaboración con la empresa química BASF, hemos explorado la posibilidad de que las computadoras cuánticas puedan simular con precisión el óxido de litio y níquel (LNO), un material utilizado en baterías. El LNO es difícil de producir industrialmente y algunos aspectos de su composición química no se comprenden bien, pero ofrece una huella ambiental menor que el óxido de litio y cobalto de uso común, e incluso hemos explorado alternativas al uso del cobalto en baterías. Simular el comportamiento mecánico cuántico del LNO podría mejorar el proceso de producción industrial y, en última instancia, ayudarnos a fabricar mejores baterías.
- Nuevas fuentes de energía
La energía de fusión, la fuente de energía de las estrellas, promete energía limpia y abundante, pero aún no se ha materializado a gran escala. El diseño de los reactores necesarios se basa en modelos computacionales para comprender los materiales en condiciones de fusión extremas. Sin embargo, los modelos actuales carecen de precisión, a menudo no coinciden con los resultados del mundo real y requieren miles de millones de horas de CPU. En colaboración con Sandia National Laboratories , nuestros investigadores demostraron que un algoritmo cuántico ejecutado en una computadora cuántica con tolerancia a fallos podría simular de forma más eficiente los mecanismos necesarios para las reacciones de fusión sostenidas, lo que, en última instancia, podría contribuir a que la energía de fusión sea una realidad.
Este tipo de progreso en medicina y energía representaría un gran avance, y sin embargo, podría ser solo una pequeña muestra de lo que podría lograrse con la computación cuántica. Dada la complejidad de esta tecnología, podría resolver preguntas que aún no sabemos cómo plantearnos. Pero alcanzar todo el potencial de la computación cuántica requiere avances en toda la pila de computación, incluyendo la construcción y el escalado de mejores cúbits; la mejora de la corrección de errores cuánticos; el desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos y su aplicación al mundo real. Nadie puede lograrlo solo, por lo que seguiremos trabajando con colaboradores del mundo académico, la industria y el sector público para crear el sistema de computación cuántica más avanzado del mundo.
