Avances en computación cuántica prometen acelerar el descubrimiento de fármacos y la investigación de materiales

Científicos chinos han observado y controlado un estado intermedio poco frecuente en un sistema cuántico, ralentizando de forma efectiva el caos cuántico. Utilizando el procesador superconductivo Chuang Tzu 2.0 de 78 qubits, los investigadores demostraron cómo una fase temporalmente estable puede prolongarse o acortarse.

El equipo identificó una meseta de pretermalización (prethermalisation plateau), un breve periodo durante el cual el sistema resiste el desorden antes de descender rápidamente hacia la complejidad total. Un ajuste cuidadoso de las secuencias de control permitió a los científicos modular la tasa de decoherencia cuántica y controlar cómo se propaga la información. Los hallazgos, publicados en Nature, ofrecen una posible ventana para preservar información cuántica frágil. Tiempos de coherencia más largos podrían mejorar de manera significativa la fiabilidad de la computación cuántica y de los métodos de corrección de errores.

Los investigadores señalan que el trabajo también pone de relieve la ventaja de los procesadores cuánticos para simular fenómenos demasiado complejos para los superordenadores clásicos. Las aplicaciones podrían abarcar desde el descubrimiento de fármacos y la investigación avanzada de materiales hasta las comunicaciones seguras de próxima generación.

Ya está disponible un potente motor de química cuántica que puede ayudar a los científicos a abordar problemas químicos complejos. El Extreme-scale Electronic Structure System (EXESS) puede realizar más de 1 quintillón de cálculos por segundo para abordar cuestiones de química cuántica. La nueva tecnología podría acelerar drásticamente la investigación en descubrimiento de fármacos, ciencia de materiales y otros campos.

Los cálculos de química cuántica desempeñan un papel importante en el desarrollo de nuevos medicamentos y materiales. Por ejemplo, los investigadores utilizan simulaciones de química cuántica para comprender cómo interactúan los fármacos con sitios de unión molecular en el organismo. Ese conocimiento puede ayudar a los investigadores a modificar la molécula del fármaco para optimizar la velocidad y la eficiencia de dicha unión.

La cantidad de potencia de cálculo necesaria escala de forma exponencial con el número de átomos del sistema. Resolver con precisión problemas con moléculas grandes, como las proteínas, que pueden contener miles de átomos, rápidamente se vuelve inviable. EXESS funciona entre 3.000 y 4.000 veces más rápido que muchos otros paquetes de software de química cuántica, lo que abre la puerta a cálculos con moléculas grandes como las proteínas. No hay una única innovación que impulse ese enorme aumento, y funciona en hardware convencional, por lo que no se necesita computación cuántica.

Una forma en que el equipo aceleró los cálculos fue encontrando maneras de ejecutar múltiples operaciones al mismo tiempo. Muchos algoritmos de química cuántica están diseñados para operar en pasos secuenciales. El equipo encontró formas de modificar los algoritmos o los enfoques teóricos para permitir que más procesos se ejecuten en paralelo. El equipo implementó una técnica conocida como fragmentación molecular (molecular fragmentation), que descompone un problema en fragmentos más pequeños, calcula esos fragmentos al mismo tiempo y luego vuelve a ensamblar esas piezas. Eso les permitió acelerar cálculos grandes ejecutando muchos cálculos más pequeños a la vez.

Hay cálculos que, en principio, llevarían aproximadamente un mes y que en realidad tardan cerca de 12 minutos cuando se ejecutan con EXESS. En la actualidad, la empresa se centra en utilizar EXESS para el descubrimiento de fármacos, encontrando y optimizando interacciones entre los medicamentos y el organismo o comprendiendo mejor cómo funcionan los fármacos existentes y por qué las personas desarrollan resistencias a ellos. La empresa ofrece acceso gratuito para proyectos de investigación aprobados. También hay disponible para el público general una versión limitada del software.

El descubrimiento de fármacos, el desarrollo de nuevas químicas de baterías, las simulaciones de materiales y la detección de fraude se encuentran entre algunas de las principales aplicaciones de los ordenadores cuánticos. Se destaca que la computación cuántica es una de las principales candidatas entre las estrategias tecnológicas y continúa siendo impulsada por gobiernos de todo el mundo. Se estima que el mercado de la computación cuántica superará los 21.000 millones de dólares para 2046, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 26,7%.

Actualmente continúa el desarrollo de chips cuánticos más grandes y más potentes. Dominar estos estados transicionales será crucial para desbloquear todo el potencial de las tecnologías cuánticas.