Los avances en computación cuántica podrían ayudarnos a simular moléculas grandes y complejas.
Estas simulaciones podrían revelar nuevos catalizadores para capturar carbono que sean más baratos y eficientes que los actuales.
Actualmente podemos simular moléculas pequeñas de hasta unas pocas decenas de cúbits, pero debemos escalar esa capacidad hasta el orden de 1 millón.
Imaginemos que pudiéramos «succionar» carbono directamente de nuestra atmósfera de forma fácil y barata. Esa capacidad sería una herramienta poderosísima en la lucha contra el cambio climático y nos acercaría a los ambiciosos objetivos climáticos mundiales establecidos.
¿No parece ciencia ficción? Pues quizá no. La computación cuántica podría ser justo la herramienta que necesitamos para diseñar una innovación limpia, segura y fácil de implementar.
En 1995 supe por primera vez que la computación cuántica podría provocar una revolución comparable a las revoluciones agrícola, industrial y digital que ya hemos vivido. En aquel entonces, parecía inverosímil que la mecánica cuántica pudiera aprovecharse para lograr un efecto tan trascendental; a la luz de los acontecimientos recientes, parece mucho, mucho más probable.
Supremacía cuántica
La reciente anuncio de Google sobre la supremacía cuántica: «[E]l momento en que las computadoras cuánticas pueden hacer cosas que las clásicas no pueden, independientemente de que esas tareas sean útiles».
La pregunta ahora es si podemos desarrollar computadoras cuánticas a gran escala, con corrección de errores que permitan realizar aplicaciones de enorme utilidad.
La buena noticia es que ya sabemos concretamente cómo usar computadoras cuánticas plenamente desarrolladas para muchas tareas importantes en ciencia y tecnología. Una de ellas es simular moléculas para determinar sus propiedades, interacciones y reacciones con otras moléculas —es decir, la química—, la esencia misma del mundo material en que vivimos.
Aunque simular moléculas pueda parecer un pasatiempo esotérico para científicos, en realidad sustenta casi todos los aspectos del mundo y de nuestra actividad en él. Comprender sus propiedades permite desarrollar nuevos y potentes fármacos, baterías, dispositivos de energía limpia e incluso innovaciones para capturar carbono.
Simulación cuántica
Hasta la fecha, no hemos encontrado una forma de simular moléculas grandes y complejas; con computadoras convencionales nunca lo lograremos, porque el problema crece exponencialmente con el tamaño o la complejidad de las moléculas simuladas. A grandes rasgos, si simular una molécula de 10 átomos lleva un minuto, una de 11 tarda dos minutos, una de 12 átomos cuatro minutos, y así sucesivamente. Este crecimiento exponencial pronto vuelve inútil una computadora tradicional: simular una molécula de apenas 70 átomos llevaría más que la edad del universo (13.000 millones de años).
Esto es exasperante, no solo porque no podemos simular las importantes moléculas existentes que encontramos (y usamos) en la naturaleza —incluso en nuestro propio cuerpo— y así entender su comportamiento, sino también porque existe un número infinito de moléculas nuevas que podríamos diseñar para nuevas aplicaciones.
Ahí es donde las computadoras cuánticas podrían venir al rescate, gracias al gran físico Richard Feynman, ya fallecido. En 1981, reconoció que las computadoras cuánticas podían hacer aquello que sería imposible para las clásicas en la simulación de moléculas. Gracias al trabajo reciente de Microsoft y otros, ahora tenemos recetas concretas para realizar estas simulaciones.
¿Catalizadores cuánticos como soluciones contra el cambio climático?
Un ámbito de urgente importancia práctica en el que la simulación cuántica podría aportar un enorme valor es el cumplimiento de los ODS: no solo en salud, energía, industria, innovación e infraestructura, sino también en acción por el clima. Entre los ejemplos figuran los superconductores a temperatura ambiente (que podrían reducir el 10% de la producción de energía que se pierde durante la transmisión), procesos más eficientes para producir fertilizantes nitrogenados que alimentan a la población mundial y baterías nuevas y mucho más eficientes.
Una aplicación muy poderosa de la simulación molecular es diseñar nuevos catalizadores que aceleran las reacciones químicas. Se estima que los catalizadores intervienen en el 90% de todos los productos químicos fabricados comercialmente (en los sistemas vivos se llaman enzimas).
Un catalizador que «elimine» directamente el dióxido de carbono de la atmósfera podría ser una herramienta poderosa para combatir el cambio climático. Aunque los océanos y los árboles capturan CO2 de forma natural, desde hace muchas décadas la producción de CO2 supera estas tasas naturales de captura.
La mejor manera de abordar el CO2 es no emitir más; lo siguiente mejor es capturarlo. «Aunque no podamos literalmente volver atrás en el tiempo, [eso] es un poco como rebobinar el reloj de las emisiones», según Torben Daeneke de la Universidad RMIT.
Se conocen catalizadores para capturar carbono, pero la mayoría contienen metales preciosos caros, o son difíciles o costosos de producir o implementar. «Actualmente no conocemos muchos catalizadores baratos y fácilmente disponibles para reducir el CO2», afirma Ulf-Peter Apfel de la Universidad del Ruhr de Bochum.
Dado el número infinito de moléculas candidatas disponibles, tenemos motivos para ser optimistas y pensar que encontraremos uno o varios catalizadores capaces de realizar la tarea de forma fácil y barata. Sin embargo, encontrar uno de ellos es una tarea abrumadora si no podemos simular las propiedades de las moléculas candidatas.
Y ahí es donde podría ayudar la computación cuántica.
Incluso podríamos encontrar un catalizador barato que permita reciclar dióxido de carbono de forma eficiente y genere subproductos útiles, como hidrógeno (un combustible) o monóxido de carbono (una materia prima común en la industria química).
La computación cuántica al rescate: ¿qué hará falta?
Actualmente podemos simular moléculas pequeñas en computadoras cuánticas prototipo con hasta unas pocas decenas de cúbits (el equivalente cuántico de los bits de las computadoras clásicas). Pero ampliar esta capacidad para tareas útiles, como descubrir nuevos catalizadores de CO2, requerirá corrección de errores y simulaciones del orden de 1 millón de cúbits.
Hace mucho que creo que este desafío solo se resolverá en una escala de tiempo humana —sin duda, para el objetivo de los ODS de 2030— si aprovechamos la capacidad de fabricación existente de la industria de los chips de silicio.
El camino a seguir
En una reunión celebrada el mes pasado por los Consejos Mundiales del Futuro del Foro Económico Mundial, un equipo de expertos de la industria, el ámbito académico y otros sectores se reunió para debatir cómo la computación cuántica puede ayudar a abordar los desafíos mundiales señalados por los ODS, en particular los relacionados con el clima.
Como copresidente del Consejo Mundial del Futuro sobre Computación Cuántica, me entusiasmó que estuviéramos de acuerdo por unanimidad en que el mundo debería destinar más recursos, también a la educación, a desarrollar la poderosa capacidad de computación cuántica que podría ayudar a encontrar soluciones contra el cambio climático, cumplir los ODS en un sentido más amplio y mucho más. Pedimos con entusiasmo más cooperación internacional para desarrollar esta importante tecnología en el horizonte de 2030, de modo que contribuya a alcanzar los ODS, en particular en materia de clima.
Así que para mí la pregunta clave es: ¿podemos hacerlo a tiempo? ¿Construiremos computadoras cuánticas lo bastante potentes en ese plazo? Yo creo que sí. Por supuesto, hay muchas otras cosas que podemos y debemos hacer para combatir el cambio climático, pero desarrollar computadoras cuánticas a gran escala y con corrección de errores es una garantía que no podemos permitirnos dejar de lado.
