La Física/Química Cuántica Computacional.

Los Procesadores Cuánticos vienen a revolucionar los Métodos Computacionales de Cálculo.

 

La química cuántica es una ciencia interdisciplinar (Física, Química, Ciencia de la Computación, Matemáticas aplicadas) que estudia, a escala atómica y subatómica, el conocimiento de los enlaces y de las reacciones químicas entre los átomos y las moléculas; este objetivo se consigue con la utilización de los principios de la mecánica cuántica. 

El objetivo de la mecánica cuántica computacional es llegar a comprender mejor el comportamiento de la materia a escalas subatómica / nanométrica y a conocer sus propiedades.

Figura 1: Campos de la Ciencia presentes en la Física/Química computacional.

 

 

 

En la estructura electrónica de los átomos y de las moléculas se fundamentan las propiedades físicas y químicas que manifiesta la materia en todas sus escalas de tamaño. 

 

Los comportamientos físicos/químicos de la materia, que se manifiestan a escalas subatómica y atómica, determinan las propiedades físicas y químicas de los sistemas moleculares a mayores escalas de tamaño micro y macro.

 

 

 

Figura 2: Multiescalas de tiempo y de longitud de la materia; procedencia: Universitá Degli Studi di Trieste.

 

 

La ecuación diferencial, en derivadas parciales, de Schrödinger, es la ecuación fundamental de la mecánica cuántica, que estudia los comportamientos subatómicos de la materia y representa en la mecánica cuántica, lo que las leyes del movimiento de Newton en la mecánica tradicional de la materia a mayores escalas.

La resolución exacta de la ecuación de onda general de Schrödinger dependiente del tiempo:

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La ecuación (1), rige todos los fenómenos y los comportamientos de la materia a nivel subatómico, estudia el comportamiento de los átomos, describe el comportamiento cuántico de los sistemas moleculares y predice su comportamiento dinámico; así mismo, determina las formas y los tamaños de los orbitales electrónicos y las energías permitidas de los sistemas moleculares. 

Su resolución exacta daría toda la información física y química de cualquier sistema atómico o molecular de cualquier tamaño, con cualquier estado y complejidad.

La función de onda Ψ  es una amplitud de la probabilidad electrónica y 〖 Ψ〗^2  la densidad de probabilidad electrónica.

En la ecuación (1), (x) representa todos los grados de libertad de las partículas de un sistema, incluido su espín.

La dificultad está en que no es posible obtener una solución analítica exacta de la ecuación de Schrödinger de sistemas con más de un átomo (ej. átomo de hidrógeno); por lo cual, se hace necesario recurrir a la obtención de soluciones numéricas aproximadas con niveles de exactitud aceptables.

La obtención de soluciones numéricas aproximadas de la ecuación de Schrödinger, crece en interés cada día y existe una demanda creciente para diseñar y optimizar sistemas cánticos complejos, como los nano dispositivos (nanodevices), en los que los efectos cuánticos son significativos o dominantes, para fabricar nuevos materiales de mejores propiedades, fármacos más eficientes, comunicaciones mucho más rápidas y seguras…

La solución analítica exacta de la ecuación de Schrödinger únicamente es posible, para sistemas simples como el átomo de Hidrógeno H2 con un solo electrón.

En la actualidad se utiliza con mucha frecuencia en la química cuántica la Ecuación Molecular Electrónica de Schrödinger No Relativista Independiente del tiempo (EMNRIT):

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es el Hamiltoniano simplificado, en el que

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 (4) es el operador de la energía cinética de los electrones,

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(5) es el operador de la energía potencial correspondiente a la atracción electrón-núcleo,

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 (6) es el operador de la energía potencial de la repulsión electrostática de Coulomb entre los electrones.

La solución numérica aproximada se simplifica con la introducción de la aproximación adiabática de Born-Oppenheimer (BO), que considera los núcleos de los átomos como puntos estacionarios con carga eléctrica positiva; de este modo se adaptan los cálculos a los estrechos límites de la actual capacidad de computación, únicamente aplicables a sistemas de pequeño tamaño con algunos cientos de electrones.

La limitación del tamaño y la complejidad de los sistemas moleculares que pueden ser resueltos con simulación numérica, es consecuencia del limitado poder de cálculo de los ordenadores actuales.

La aproximación adiabática de (BO) consigue resultados satisfactorios en múltiples sistemas moleculares estacionarios en moléculas estables estado fundamental con comportamientos adiabáticos.

La utilización de la aproximación (BO) no es adecuada, en aquellos sistemas de comportamiento dinámico transitorio no-adiabático, en el que las superficies electrónicas de los estados fundamental y excitado están muy próximas; tampoco es adecuada su aplicación en los sistemas que contienen elementos pesados con números atómicos elevados Z>=36 (lantánidos y actínidos).

La resolución de la ecuación (EMNRIT), permite calcular la estructura electrónica de los sistemas moleculares y las fuerzas que actúan en sus núcleos; describe el movimiento del conjunto de electrones, proporciona auto valores de la energía de los sistemas moleculares y sus auto funciones de onda, que corresponden al operador electrónico de Hamiltoniano simplificado.

En el importante desarrollo actual de la química computacional, se hace muy necesario ampliar el campo de utilización de la simulación numérica, a sistemas moleculares de mayor tamaño y complejidad que estén formados por muchos cuerpos (many body).

La Dificultad de resolver las Ecuaciones Diferenciales de la Ecuación de Schrödinger.

Uno de los mayores retos matemáticos con los que se enfrentan los métodos de simulación numérica, es la resolución de las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, que plantea la resolución de la ecuación de Schrödinger; su resolución, aplicada a los sistemas moleculares compuestos de muchos cuerpos, es necesaria para describir los sistemas cuánticos, su estructura electrónica, la dinámica de las partículas subatómicas y sus propiedades físicas y químicas.

Con frecuencia en estos casos, es necesario resolver la ecuación de Schrödinger, dentro de un espacio de múltiples dimensiones espaciales, que los métodos numéricos no pueden resolver utilizando, incluso, los superordenadores de última generación.

La resolución de La Ecuación Molecular No Relativista Independiente del Tiempo de Schrödinger (EMNRINT):

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(7) solo es posible para moléculas muy simples; esto es debido a que el esfuerzo de cálculo necesario crece de modo exponencial con el incremento del número de electrones de un sistema; la dificultad creciente para realizar los cálculos está causada por la repulsión electrónica, llegando a ser pronto impracticable el cálculo.

La función ψ: es una auto función de onda de Ψ de muchos electrones, que contiene el conjunto de números cuánticos correspondientes, con todos los grados de libertad (coordenadas) de todos los electrones y núcleos de un sistema molecular;

E una función que depende de las coordenadas de los núcleos R ⃗_k

y es el auto valor de la energía del Hamiltoniano completo H, al ser añadido el término

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(8) y (9) correspondientes, respectivamente, al operador de la energía cinética de los núcleos y al operador de la energía potencial de la interacción de repulsión de Coulomb entre los núcleos.

Bibliografía:

  • [1], [2], [3], [4] 

En la ecuación (EMNRINT) se considera que los núcleos no son puntos fijos, tienen un comportamiento cuántico y pueden interactuar con los electrones.

La ecuación (7) solo puede ser resuelta de modo exacto, para átomos o moléculas muy simples (ej. la molécula H2).

Es, por tanto, un objetivo primordial tener la posibilidad de resolver, de modo aproximado mediante simulación numérica, la ecuación (EMNRINT); esto solo sería posible, utilizando el enorme potencial de una incipiente tecnología de la computación cuántica, cuando ésta sea eficiente.

La utilización de la mecánica cuántica es necesaria para describir y determinar, de modo aproximado, las estructuras electrónicas atómicas y moleculares, para mejorar el conocimiento de la naturaleza de los enlaces químicos entre los átomos, las moléculas y los grupos de moléculas y poder conocer sus propiedades.

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Figura 3: molécula de metano CH4 (enlace covalente);

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Figura 4: Estructura de la molécula de agua (Martin Chaplin 2018).

Las moléculas pueden ser consideradas como un conjunto de (N) núcleos y de (n) electrones sometidos a las leyes de la mecánica cuántica; su formación se realiza mediante diversos tipos de enlaces o uniones de átomos.

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Figura 5: Tipos de enlaces químicos (Stephen Thomson / Joe Staley)

La computación numérica tradicional está limitada a sistemas poco complejos de tamaño pequeño; cuando se necesita un nivel de precisión elevado, la computación numérica tradicional se hace ineficiente y en muchos casos inabordable.

Las limitaciones que presenta la computación clásica pueden ser superadas con la incipiente Computación Cuántica.

La Computación Cuántica (CC) Inicia la Nueva Era de la Informática.

La Computación Cuántica (CC) es un nuevo modo de computación numérica; utiliza los fenómenos cuánticos, que se producen por la interacción entre las partículas subatómicas, para realizar operaciones matemáticas a velocidades cuánticas, que pueden llegar a ser extremadamente superiores a las conseguidas por los superordenadores más potentes y con una enorme capacidad de almacenamiento de datos.

La diferencia fundamental entre la computación cuántica y la tradicional está en que, La Computación Cuántica utiliza los múltiples estados espín de los electrones para codificar la información, en lugar de utilizar los dos únicos estados binarios electrónicos (0) y (1) disponibles en la computación tradicional.

Bibliografía:

  • [5]

La computación cuántica utiliza la luz láser para provocar el fenómeno del Entrelazamiento Cuántico, que se produce al interaccionar el láser con los electrones del sistema molecular midiendo, simultáneamente, los numerosos estados de espines electrónicos que se originan; los espines de los electrones se utilizan para realizar los cálculos en las computadoras cuánticas a muy elevada velocidad.

Las investigaciones sobre la (CC) y la fabricación de computadoras cuánticas se realizan, en la actualidad a un ritmo muy rápido, en fuerte competencia internacional, motivada por la enorme potencialidad y el impacto que puede tener el nuevo modo de computación cuántica.

La computación cuántica es un instrumento potencialmente súper poderoso y capaz de revolucionar los conocimientos teóricos de la física/química teórica aplicados a los átomos y a las moléculas; es capaz de producir un enorme impacto tecnológico transformador en la Sociedad.

La (CC) se rige por los primeros principios físicos “ab initio” y su aplicación puede extenderse a numerosos e importantes campos de la ciencia y de la técnica:

  1. Realización de simulaciones satisfactorias de los sistemas cuánticos.

  2. Avances sustanciales en el conocimiento, en el comportamiento y en las propiedades de la materia a escala nanométrica y molecular, de gran importancia en la búsqueda de nuevos materiales de propiedades exóticas: en el campo de la genética y en la fabricación de nuevos fármacos…

  3. Avances cruciales en el campo de la robótica y en las técnicas de aprendizaje (machine learning), en la encriptación, en la ciberseguridad y en el procesado de la información de gran número de datos (big data).

  4. Gran fiabilidad y rapidez en los procesos de verificación/validación y en la logística de las finanzas…

  5. Revolución en las comunicaciones con el entrelazamiento cuántico.

En la actualidad, la simulación numérica de la dinámica cuántica molecular (AIMD), aunque introduce simplificaciones y aproximaciones importantes, está limitada a sistemas moleculares poco complejos, con un número pequeño de electrones; queda fuera de su campo de utilización, aún con el uso de las supercomputadoras, el estudio de sistemas con muchos electrones y de comportamientos más complejos.

El muy ambicioso objetivo que se pretende alcanzar con la implantación de la computación cuántica es el de ampliar el campo de aplicación de los métodos aproximados actuales de la simulación numérica de la dinámica molecular “Ab Initio” (AIMD), a sistemas moleculares con mayor número de electrones; para conseguirlo es necesario calcular la estructura electrónica de los sistemas moleculares, con gran rapidez y exactitud, de la que se obtienen las fuerzas que actúan sobre los núcleos.

Se hace más necesario cada día, poder abordar el cálculo de sistemas moleculares más complejos y de mayor tamaño con muchos electrones.

Para conocer la dinámica de los sistemas moleculares con muchos electrones, se necesita desarrollar una computación eficiente que se realice a grandes velocidades y capacidades de memoria, de modo que se puedan conseguir simulaciones numéricas más eficientes con muy superiores niveles de precisión.

Parece posible alcanzar este objetivo, en un futuro próximo, con la aplicación de la Simulación Numérica Cuántica, a sistemas moleculares con estructuras electrónicas de mayor complejidad y con mayor número de electrones.

Es necesario ampliar el conocimiento a sistemas moleculares de mayor tamaño y complejidad, que dé un gran impulso a amplias áreas del conocimiento: a la ciencia de la física/química cuántica, al conocimiento de la estructura de la materia a nivel subatómico/atómico, a mejorar el conocimiento del cosmos y al desarrollo de nuevas tecnologías más eficientes y ecológicas.

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Figura 6: Conexión cuántica entre las superficies entrelazadas de los agujeros negros, Anil Ananthaswamy 2016, https://medium.com/…/entangled-universe-could-wormhole-hold

La mecánica cuántica computacional (MCC) abrirá la puerta al desarrollo de nuevos materiales con propiedades desconocidas hasta el momento en múltiples campos como: la fabricación de materiales de construcción de mayores resistencias, más ecológicos y con mayor durabilidad, la fabricación de células fotovoltaicas de muy superior eficiencia, la fabricación de baterías de alta capacidad para el almacenamiento eléctrico con menor volumen y peso, la fabricación de nuevos fármacos…

Las Computadoras Cuánticas (CC).

La irrupción en el mercado de las Computadoras Cuánticas hará posible, en un futuro no lejano, incrementar extraordinariamente el conocimiento, con alta precisión, de la estructura electrónica y de la evolución físico/ química de sistemas más grandes y de mayor complejidad, hasta el momento inabordables con las técnicas computacionales actuales.

Bibliografía:

  • [6], [7], [8]

Para conseguir estos objetivos, es necesario perfeccionar el complejo proceso constructivo y el funcionamiento de las computadoras cuánticas, que ya han comenzado a construirse, y solventar la problemática que actualmente plantea la computación cuántica que, por el momento, impide su implantación a gran escala, hasta llegar a la llamada hegemonía cuántica, que puede estar cerca (¿en el año 2022?).

La problemática que plantea la computación cuántica está centrada en conseguir que las (CC) trabajen en modo realmente cuántico y tengan un funcionamiento estable, durante el tiempo necesario para poder ejecutar un algoritmo cuántico completo.

El mantenimiento de un funcionamiento cuántico estable es el obstáculo que es necesario superar, para implantar definitivamente la computación cuántica.

El funcionamiento en modo cuántico total de una (CC) se produce, cuando los fenómenos cuánticos (1) de Superposición y (2) de Entrelazamiento de los estados cuánticos de las partículas subatómicas, se establecen simultáneamente, dentro de el conjunto de los qubits instalados en las (CCs).

Los qubits son las unidades básicas que constituyen el bloque fundamental que almacena la enorme información cuántica generada. Esta información la transmiten los qubits siguiendo los principios de la física cuántica que fluye a través de los qubits, a velocidades cuánticas (a la velocidad de la luz) que pueden llegar a superar la velocidad de la luz; éstas fabulosas velocidades cuánticas se establecen, cuando se producen, simultáneamente, la Superposición Cuántica (SC) y el impresionante y enigmático fenómeno del Entrelazamiento Cuántico (EC) (quantum entanglement).

Bibliografía:

  • [9], [10]

Las (CC) utilizan átomos y partículas subatómicas como sistemas físicos; los qubits tienen una propiedad específica muy útil que es la superposición cuántica, que les permite tener varios valores al mismo tiempo.

La teórica potencialidad de las (CCs) podría concretarse en que: las computadoras cuánticas podrían realizar cálculos en un segundo, que los superordenadores actuales tardarían millones de años en resolver.

La Superposición de los Estados Cuánticos.

Los bits de los ordenadores clásicos guardan solo un bit de información (0) o (1); sin embargo, los qubits pueden estar en ambos estados diferentes al mismo tiempo y también en estados intermedios, puesto que los electrones pueden estar en muchos sitios a la vez. Este comportamiento se denomina Superposición de los estados cuánticos. Los qubits pueden estar en superposición de estados, de modo que cada qubit puede representar, al mismo tiempo, ambos estados (0) y (1) o un estado intermedio. La superposición cuántica permite a las (CC) realizar operaciones utilizando muchos valores de una sola vez. Una partícula cuántica puede estar en una superposición de todos sus estados clásicos posibles.

Para que se mantenga la superposición quántica, las funciones de onda de los dos estados superpuestos tienen que ser coherentes; el mantenimiento de la coherencia cuántica es esencial para que se produzca el comportamiento cuántico; sin embargo, el mantenimiento del principio cuántico de la superposición está amenazado, por sus posibles interferencias con el medio en el que se realiza, pudiendo llegar a colapsarse las funciones de onda generadas e interrumpirse la superposición cuántica. El principio de la superposición cuántica se origina como consecuencia del carácter lineal de la ecuación de Schrödinger.

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Figura 7: Representación del qubit en la esfera de Bloch (tomada de las imágenes de internet)

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Figura 8: La Superposición de los Estados Cuánticos, Owais Najam 2016;

Bibliografía:

  • [11]

El Entrelazamiento Cuántico (EC).

Dos partículas A y B entrelazadas en modo cuántico, deben ser consideradas como una única partícula y no pueden ser definidas como el producto de dos funciones de onda, como producto tensorial de los estados de un único qubit.

Bibliografía:

  • [12]

El Entrelazamiento Cuántico es el recurso fundamental de la Física Cuántica, que es necesario generar, para conseguir el Máximo Efecto en la Computación Cuántico.

En esencia, el entrelazamiento cuántico (enredo), que puede ser múltiple, doble, triple…, es otra forma de superposición, relativa a los estados cuánticos de los espines antiparalelos de dos electrones de diferentes qubits correlacionados entre sí y que están separados sin ninguna conexión física; este tipo de entrelazamiento no puede darse entre los bits clásicos;

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Figura 9: Entrelazamiento Cuántico, https://phys.org/print443077801.html

El estado cuántico de (n) qubits, supone la superposición de todas las configuraciones posibles 2n. El (EC) entre los espines de los electrones de (n) qubits, incrementa exponencialmente el espacio del estado de Hilbert, pasando de 2n a 2n dimensiones; así el conjunto de qubits adquiere la capacidad de formar registros cuánticos grandes, aplicables a cualquier sistema molecular.

Dos qubits se describen con seis números reales; un conjunto de (N) qubits se describe con 2(2N-1) números reales en estados cuánticos puros y con 2(2N+1-1) números imaginarios, cuando los estados cuánticos so impuros.

Investigadores de Alemania y Austria han conseguido, recientemente, fabricar un registro cuántico de 20 qubits que, cuando funcionan entrelazados, adquieren la capacidad de almacenar más de un millón de estados cuánticos (physical Review X, 2018).

La descripción del fenómeno cuántico del entrelazamiento es, aún hoy, difícil de entender conceptualmente; un mayor conocimiento del entrelazamiento cuántico nos sumerge en el conocimiento de la mecánica cuántica profunda, porque es un concepto abstracto, no intuitivo, que escapa a nuestro modo de visualizar la realidad y que no guarda ninguna relación física con el concepto del entrelazamiento de la mecánica clásica; su definición matemática tampoco es sencilla.

Cuando se produce el entrelazamiento cuántico entre dos partículas, distantes entre sí y sin conexión física alguna, se entrelazan íntimamente sus estados cuánticos, de modo que funcionan como una única partícula; cualquier variación en el estado cuántico de una de ellas, provoca, de modo instantáneo, la misma variación en la otra partícula, aunque se encuentren separadas a mucha distancia sin ninguna conexión física.

Esta acción fantasmagórica a distancia fascinó a muchos científicos (E. Schrodinger, A. Einstein entre otros); hasta el momento el fenómeno cuántico del entrelazamiento es un concepto difícil de comprender, aunque su existencia parece confirmada por el comportamiento de fotones entrelazados emitidos por cuerpos celestes desde los confines del Universo.

Bibliografía:

  • [13]

El concepto del entrelazamiento cuántico surge de la descripción de los sistemas compuestos, al aplicar los principios de la mecánica cuántica.

Las partículas cuánticas entrelazadas íntimamente entre sí manifiestan un comportamiento que nos permite considerar que una partícula cuántica puede estar en dos sitios simultáneamente.

El concepto de (EC) implica la existencia de una íntima relación entre los sistemas físicos y la inseparabilidad de los objetos y sus propiedades.

Bibliografía:

  • [14], [15]

El funcionamiento en modo cuántico del conjunto de los qubits es muy frágil e inestable; la inestabilidad en el funcionamiento del conjunto de qubits operativos de una computadora cuántica, se incrementa con el número de qubites disponibles y su estabilidad está relacionada con la calidad de los materiales con los que se fabrican.

Los qubits son chips formados por circuitos superconductores de microondas enfriados a temperaturas próximas al cero absoluto o de iones atrapados que están en múltiples estados simultáneos solapados.

Todo proceso cuántico es alterado por su sola observación; en consecuencia, la información que generan las (CC) no es ni directa ni inmediatamente asequible; se requiere realizar un control del comportamiento cuántico, extremadamente preciso, y un aislamiento total del entorno de las (CC). Es necesario que los algoritmos cuánticos que se desarrollen puedan proporcionar fácilmente la información generada por las (CC).

El funcionamiento inestable de un (CC) puede provocar el colapso del funcionamiento en modo cuántico, como consecuencia de las posibles interacciones con el medio en el que se encuentra la computadora en operación; las interacciones pueden ser debidas a: vibraciones, temperatura, presencia de campos magnéticos…

Las computadoras cuánticas que se fabrican, en la actualidad, tienen un tamaño grande y deben ser colocadas en recintos oscuros aislados del exterior; además, el conjunto de los qubits tiene que estar a una temperatura muy próxima al cero absoluto (-273,15ºC) para que puedan funcionar en modo cuántico.

A medida que se incrementa el número de qubits, se incrementa también el nivel de ruido generado durante la computación; este ruido de fondo y las vibraciones que puedan producirse, si traspasan un determinado nivel, pueden hacer decaer el modo cuántico de funcionamiento; este comportamiento se denomina Decoherencia de la computadora, que pasa a funcionar como una computadora clásica.

Las (CCs) tienen que tener un Funcionamiento coherente.

La Coherencia Cuántica se define como la correlación entre las fases de dos o más ondas y describe la capacidad de una partícula para existir simultáneamente en varios estados distintos como: la posición, la energía o el espín; la Coherencia puede ser considerada como una resistencia de la Correlación Cuántica.

Es, por tanto, necesario conseguir el aislamiento total de la computadora cuántica de su entorno, para evitar que se produzca la decoherencia que colapsa la superposición y el entrelazamiento de los estados cuánticos, interrumpe el funcionamiento cuántico de la computadora y genera resultados erróneos de computación que es necesario corregir;

Bibliografía:

  • [16]

Es necesario conseguir, que los posibles errores que puedan producirse en los cálculos por decoherencia cuántica puedan ser evitados mediante el desarrollo de un mecanismo corrector de errores, que asegure la fiabilidad de la computación cuántica.

La corrección de errores necesitaría que las (CCs) dispusiera de miles de qubits no operativos por cada qubit operativo instalado.

La extraordinaria rapidez de la computación cuántica los (millones de veces más rápida que la computación cuántica) y la gran capacidad de almacenar multitud de datos (big data), hace a las computadoras cuánticas ideales para modelizar con precisión sistemas químicos complejos (PhilipBall), simular el comportamiento de la materia a nivel atómico y profundizar en el conocimiento y en la evolución de estructuras moleculares de mayor complejidad, en su reactividad química, en la evolución de las reacciones químicas y en la obtención de los espectros electrónicos/ vibracionales de los sistemas.

La química cuántica y la ciencia de nuevos materiales serán los primeros campos del saber que se beneficien del uso de las computadoras cuánticas; (Alán Aspuru-Guzik, Harvard University); también abarcará otros campos de gran interés como el de la inteligencia artificial, la fabricación de nuevos fármacos…

Bibliografía:

  • [17]

Las computadoras cuánticas están en la primera etapa de desarrollo y su evolución se prevé muy rápida en los próximos años. En la actualidad, se ha establecido una fuerte pugna entre países, para ver quien llega antes a conseguir la llamada supremacía cuántica (SC).

La supremacía cuántica se alcanzará, cuando se consiga que las (CC) dispongan de un número muy importante de qubits que puedan absorber las instrucciones de computación y que tengan un funcionamiento coherente y estable; deberán trabajar en modo cuántico total que incluya también el entrelazamiento cuántico.

Bibliografía:

  • [18], [19]

La compañía IBM ha fabricado recientemente un ordenador cuántico de 50 unidades de información (qubits);

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Figura 10: Computador Cuántico IBM con Procesador de 50-qubit.

Sin embargo, falta por conseguir que la computadora funcione establemente en modo cuántico total.

Google ha anunciado también (5 de marzo de 2018), que están probando en sus laboratorios un computador cuántico con 72 qubits, para demostrar que es posible realizar, por primera vez, un cálculo imposible de realizar con las supercomputadoras tradicionales.

Previsiblemente en 2019, se fabricarán (CCs) con 200 qubits operativos con funcionamiento coherentes.

Hasta el momento presente, sin embargo, no se ha conseguido que una (CC) sea capaz de realizar cálculos empleando algoritmos cuánticos, que no puedan ser realizados por las supercomputadoras tradicionales utilizando los algoritmos clásicos.

Las (CCs), por su gran potencialidad, ofrecen la posibilidad de generar un crecimiento exponencial enorme del número de operaciones que pueden ser realizadas simultáneamente; su capacidad de memoria se incrementa exponencialmente con el número de qubits operativos coherentes que tiene la computadora: (2n), siendo (n) el número de qubits operativos de las (CC).

Su capacidad de memoria es tremendamente, superior a la de los superordenadores actuales que, a su vez, tienen una capacidad de memoria 200.000 veces superior a la de los ordenadores normales tradicionales. 

La causa de la gran potencialidad de los procesadores cuánticos está, en que pueden trabajar en un estado binario (0) y (1) y en estados intermedios de modo simultáneo, Estados de Superposición Electrónica) y, además, con Estados Electrónicos Entrelazados.

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Figura 11: Diferencia entre el Código Binario de los bits y el Código Múltiple de los qubits.

La superposición de los efectos cuánticos con muchos qubits es muy difícil de conseguir en un modo estable de funcionamiento, principalmente el entrelazamiento de los estados cuánticos; este entrelazamiento, cuando se produce, puede procesar la información a la velocidad de la luz.    

Cada qubit operativo representa el estado de ocupación de los fermiones (electrones, protones y núcleos con espín semientero) de un determinado orbital atómico ocupado o no ocupado.

El número de qubits operativos disponibles en los ordenadores cuánticos aumentará previsiblemente, no sin dificultad, a un ritmo exponencial con el transcurso del tiempo; así se conseguirá incrementar sus potencialidades hasta límites ahora inimaginables. 

Los Algoritmos Cuánticos (AC).

Una dificultad adicional para que se convierta en realidad la gran potencialidad de la computación cuántica, está en la necesidad de desarrollar familias de Algoritmos Cuánticos (AC) eficientes para sistemas moleculares concretos compatibles con el tipo de (CC) utilizada.

Los (AC) que es necesario desarrollar, son muy diferentes de los tradicionales; resuelven en forma polinómica las ecuaciones diferenciales planteadas en la resolución de la ecuación de Schrödinger, en lugar de en la forma exponencial que utilizan los algoritmos tradicionales.

Con la utilización de las (CC) y de los (AC), se podrán determinar, de modo muy aproximado, los auto valores de la energía y las auto funciones de onda asociadas de los sistemas moleculares.

Con el uso de los nuevos (CC) y con el desarrollo de nuevos algoritmos cuánticos adecuados (AC) será posible, en un futuro no lejano, aplicar la química/física cuántica computacional a sistemas de gran tamaño, que contengan muchos electrones y de mayor complejidad, que estén en estados no excitados o excitados.

Los (AC) que se desarrollen, deberán poder ser utilizados por los (CC) de modo eficiente y demostrar que sus prestaciones, rebasan las prestaciones de los algoritmos utilizados por la computación clásica; esto no se ha conseguido demostrar por el momento.

Bibliografía:

  • [20]

No puede esperarse que la (CC) resuelva de modo analítico exacto la ecuación de Schrödinger, de cualquier sistema molecular por complejo que sea; será necesario desarrollar (AC) eficientes para sistemas moleculares concretos.

Los cálculos numéricos necesarios para resolver las ecuaciones diferenciales que se originan en la resolución de la ecuación de Schrödinger, se realizarán con muy superior precisión y gran rapidez, sin necesidad de emplear los tediosos métodos clásicos variacionales (Philip Ball 2017).

La aparición de los (CC) no supondrá, sin embargo, la eliminación de los ordenadores actuales, puesto que éstos serán necesarios para trabajar conjuntamente en múltiples aplicaciones, para elaborar los resultados aportados por las (CC).

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Figura 12: Trabajo conjunto de las computadoras cuánticas y de las computadoras tradicionales.

Recientemente se ha realizado una utilización conjunta de un ordenador clásico y un ordenador cuántico con relativamente pocos qubits, para resolver la molécula de hidrógeno H2 en estado fundamental y en estado excitado, empleando un algoritmo cuántico variacional (Variational Quantum Eigensolve (VQE); Collers et al 2018.

Los cálculos computacionales cuánticos permitirán determinar con muy superior eficiencia y precisión, la correlación electrónica de sistemas moleculares más complejos y de mayor tamaño.

El tratamiento más potente y completo de la correlación electrónica obtendrá con mayor exactitud, la estructura electrónica y la energía total de los sistemas moleculares en estado fundamental o en estado excitado.

Conclusiones: 

Debe aceptarse la enorme potencialidad que tiene la computación cuántica y su efecto tecnológico transformador de la Sociedad.

Sin embargo, la transformación de su potencialidad teórica en aplicaciones concretas de enorme interés, inabordables con la computación clásica, tiene que enfrentarse a problemas físicos de difícil solución y a problemas matemáticos que desarrollen algoritmos para calcular, de modo eficiente, las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que plantea la resolución de la ecuación de Schrodinger.

Bordear estos obstáculos exige avanzar en el conocimiento teórico de las propiedades y de los comportamientos cuánticos de las partículas subatómicas que, a su vez, será potenciado con la computación cuántica; el avance en el conocimiento teórico tiene que ir acompañado de avances tecnológicos en la computación, que puedan aportar soluciones a los importantes problemas reales que puedan plantearse.

La problemática principal actual que plantea el desarrollo de la computación cuántica, puede resumirse en los siguientes aspectos:

  • a) Conseguir un funcionamiento cuántico total estable en el tiempo (coherencia del comportamiento cuántico), en el que coincídan la Superposición de Estados y el Entrelazamiento.
  • b) Poder añadir a las computadoras cuánticas el número necesario de qubits operativos, que mantengan un comportamiento coherente durante el tiempo de cálculo que necesite la computación.
  • c) Reducir el ruido y las vibraciones de fondo que produce el funcionamiento del conjunto de qubits operativos, a niveles que eviten la decoherencia cuántica.
  • d) Asegurar que el conjunto de qubits operativos esté a una temperatura estable muy próxima al cero absoluto.
  • e) Conseguir el aislamiento de las computadoras cuánticas de ruidos, vibraciones, luz y campos magnéticos procedentes de su entorno.
  • f) Desarrollar familias de algoritmos cuánticos específicos para cada sistema molecular, compatibles con cada tipo de computadora cuántica utilizada, de manera que realicen simulaciones satisfactorias que no pueden ser realizadas con los algoritmos tradicionales; además, los algoritmos cuánticos tienen que aportar soluciones de computación a aplicaciones prácticas complejas de interés científico y técnico, que no sean posibles de obtener con la computación clásica.
  • g) Optimizar el diseño, el tamaño, la fabricación y el funcionamiento de las computadoras cuánticas.
  • h) Desarrollar mecanismos de corrección de los errores producidos por la decoherencia cuántica.

A más largo plazo podría plantearse el objetivo de desarrollar computadoras tradicionales, que puedan simular un funcionamiento en modo cuántico.

Quizá se hayan exagerado las expectativas de conseguir la deseada supremacía cuántica a corto plazo, como baza estratégica de primer orden, que todos quieren conseguir los primeros.

La supremacía cuántica” puede ser un concepto muy deseado más que una realidad, si pensamos que se puede conseguir en un corto período de tiempo (¿para el año 2022?).

La “supremacía cuántica real podrá ser alcanzada, cuando se consiga que: un conjunto suficiente de qubits operativos interconectados entre sí y dependientes unos de otros e instalados en una computadora cuántica, operen en modo cuántico real estable en el tiempo, de manera que se produzcan los efectos cuánticos simultáneos de la Superposición Electrónica y del Entrelazamiento; debe quedar demostrado que  la computación cuántica es capaz de realizar cálculos numéricos fiables y eficientes en aplicaciones prácticas.

La codificación simultánea de la información, a través de los múltiples estados de los espines electrónicos, permitirá realizar la computación cuántica, mediante la utilización de algoritmos eficientes específicos desarrollados, para cada tipo de sistema molecular concreto, que sean compatibles con las computadoras cuánticas utilizadas.

El horizonte temporal en el que se alcance la supremacía cuántica es difícil de prever y pudiera estar a décadas de distancia o en menor espacio de tiempo, considerando las grandes inversiones y recursos que se están comprometiendo en la pugna actual por llegar los primeros a conseguirla.

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