Hito cuántico: simulan por primera vez la "danza" de las moléculas en tiempo real
FÍSICA APLICADA.
Un sistema cuántico de iones atrapados desvela la dinámica de las reacciones químicas con precisión inédita.
Representación artística de la dinámica molecular observada mediante simulación cuántica. / ChatGPT/T21
Gracias a una original máquina cuántica, un equipo internacional de científicos ha conseguido por primera vez recrear y comprender en tiempo real cómo interactúan los átomos para formar nuevos compuestos o interactuar con la luz. Este logro promete acelerar descubrimientos cruciales en campos como la medicina, el diseño de fármacos y la ciencia de materiales.
La simulación cuántica de la dinámica química marca un hito en la intersección de la física, la química y la computación, abriendo nuevas posibilidades para comprender y manipular los procesos moleculares más fundamentales.
Un nuevo avance, logrado por un equipo internacional liderado desde la Universidad de Sídney, ha conseguido por primera vez simular experimentalmente la dinámica química de moléculas reales. Lo ha conseguido utilizando un simulador cuántico programable basado en iones atrapados, lo que representa un paso crucial hacia la aplicación práctica de la computación cuántica en química y medicina. Los resultados de este trabajo se publican en el Journal of the American Chemical Society.
Reino cuántico.
La química, en su esencia, estudia cómo los átomos y las moléculas interactúan, reaccionan y se transforman. Sin embargo, estos procesos no pueden describirse completamente con la física clásica: en el corazón de la materia, los electrones y los núcleos atómicos obedecen las reglas de la mecánica cuántica. Así, aunque una molécula como entidad física no es “cuántica” en sí misma, su comportamiento (energías de reacción, rutas de transferencia de población, acoplamientos vibronicos) está gobernado por fenómenos cuánticos como la superposición, el entrelazamiento y la interferencia.
Simular con precisión cómo evolucionan estos sistemas, especialmente cuando los movimientos electrónicos y nucleares están acoplados de manera compleja (procesos no adiabáticos), es uno de los grandes retos de la química computacional.
Limitaciones actuales.
Las computadoras clásicas, incluso las más potentes, están superadas por la complejidad de estos problemas. Los métodos tradicionales requieren aproximaciones que pueden perder detalles esenciales, especialmente en fenómenos ultrarrápidos como los que ocurren en la fotosíntesis, la visión, la conversión de energía solar o la reparación del ADN tras la exposición a la luz ultravioleta.
Además, cuando se trata de simular moléculas en ambientes biológicos o en fase condensada—donde las interacciones con el entorno son críticas—la dificultad se multiplica, y los cálculos se vuelven inabordables incluso para supercomputadoras.
Promesa revolucionaria.
Aquí es donde la computación cuántica ofrece una promesa revolucionaria. Un dispositivo cuántico, al manipular directamente estados cuánticos, puede imitar la evolución de sistemas moleculares con una eficiencia inalcanzable para la computación clásica. Sin embargo, hasta ahora, los algoritmos cuánticos existentes requerían tal cantidad de cúbits (unidad básica de la computación cuántica) y puertas lógicas (dispositivos electrónicos) que su aplicación práctica estaba fuera del alcance de la tecnología actual.
El avance que aporta la nueva investigación reside en el uso de un esquema híbrido de codificación, que aprovecha tanto cúbits (sistemas de dos niveles) como modos bosónicos (grados de libertad continuos, como las vibraciones moleculares), implementados en un sistema de iones atrapados. Este enfoque permite simular la dinámica de moléculas reproduciendo en tiempo real la evolución de sus estados electrónicos y vibracionales, incluidas las complejas transferencias de población a través de intersecciones cónicas—zonas críticas donde los caminos de reacción pueden bifurcarse de manera ultrarrápida.
Química y medicina en el horizonte cuántico.
La importancia de este logro va mucho más allá de la pura curiosidad científica. En química, poder predecir y controlar la dinámica molecular con precisión permitiría diseñar nuevos materiales con propiedades a medida, optimizar catalizadores y, sobre todo, acelerar el descubrimiento de fármacos. En medicina, comprender cómo una molécula interactúa con su entorno, cómo absorbe la luz o cómo se transforma tras un estímulo externo, es clave para desarrollar tratamientos más eficaces y personalizados, desde terapias fotodinámicas hasta la reparación dirigida del ADN.
Además, el simulador cuántico demostró su versatilidad al simular no solo sistemas cerrados (aislados), sino también sistemas abiertos, es decir, moléculas interactuando con un “baño térmico” que representa el entorno. Esto es especialmente relevante para la biomedicina, donde las moléculas rara vez están aisladas y las interacciones con el entorno determinan su función y reactividad.
Por: Eduardo Martínez de la Fe / T21.
Sitio Fuente: Levante / Tendencias21