Para comprender los procesos esenciales para la vida, como el reconocimiento molecular, la transcripción y traducción de genes y la reparación del ADN, la mecánica cuántica es inevitable. Ese es también el caso de los nuevos materiales y el diseño de fármacos.
Potentes computadoras clásicas han estado ayudando a simular la dinámica de estos sistemas. Sin embargo, generalmente a través de métodos en los que la mayoría de los átomos y moléculas involucrados se tratan utilizando aproximaciones de la mecánica clásica, considerando solo una pequeña porción de las moléculas, con muy pocos átomos, como el sector cuántico. La razón es que los cálculos de física cuántica para muchas partículas, por ejemplo, muchos átomos en una proteína grande, se vuelven intratables, incluso para la computadora clásica más poderosa.
En 1982, Richard Feynman argumentó que para comprender completamente un sistema cuántico, necesitaríamos usar procesadores basados en los principios de la mecánica cuántica, que es precisamente lo que llamamos computación cuántica en la actualidad.
Durante la última década, la computación cuántica pasó de ser un sueño a una tecnología tangible y prometedora. Recientemente, un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia desarrolló con éxito un procesador cuántico, o más precisamente, un circuito integrado cuántico, para simular una cadena de moléculas orgánicas. Se inspiraron en las sorprendentes propiedades conductoras del poliacetileno, un polímero que consta de una cadena de átomos de carbono e hidrógeno con enlaces dobles organizados en un patrón de enlaces simples y dobles alternos.
En la computación clásica, lo que solemos considerar como una simulación consiste en un programa con una entrada, que los transistores de la computadora interpretan y utilizan para realizar los cálculos, produciendo finalmente una salida o resultado.
Por el contrario, en su experimento, Michelle Simmons y sus colaboradores manipularon directamente el «hardware». Construyeron un análogo físico a nanoescala que emula la molécula orgánica real, conocida como simulación cuántica analógica.
“Circuito” de puntos cuánticos que emula una molécula orgánica
Para recrear la hebra orgánica, los investigadores prepararon una pieza de silicio, cubriéndola con una capa protectora de átomos de hidrógeno. Usaron una punta microscópica para eliminar estratégicamente algunos de los átomos de hidrógeno, creando una cadena de diez «agujeros». Inmediatamente, expusieron el sistema a fosfina (PH3), induciendo una reacción en la que los átomos de fósforo terminan depositándose en los agujeros, creando puntos de fósforo, cada uno cubriendo un área de 25 nm.2 (aproximadamente del tamaño de una molécula grande, por ejemplo, una proteína). Estos puntos de fósforo se llaman puntos cuánticos por su capacidad de albergar electrones, emulando un cristal o una molécula. La distancia entre los puntos cuánticos en la cadena se eligió para que los electrones puedan «saltar» de un punto a otro o ser compartidos por dos puntos, como en un enlace químico.
En este nuevo experimento, cada punto cuántico puede albergar dos electrones, veinte a lo largo de la cadena. Los investigadores llenaron la cadena con cinco electrones, cada uno de ellos compartido por un par de puntos o dímeros. Luego, midieron la corriente eléctrica que pasaba por la cadena e investigaron la energía de dos posibles configuraciones o fases: la fase trivial y el fase de topología.
En la fase trivial, cada uno de los cinco electrones se localiza en cada dímero, emulando un enlace químico. En la fase de topología, solo cuatro electrones están localizados en dímeros, y el quinto electrón no está «unido» a ningún dímero sino que está localizado en el borde de la molécula simulada (Figura 3). En la fase trivial, la cadena se comporta como un aislante, mientras que en la fase topológica se comporta como un aislante topológico caracterizado por electrones “no enlazados” en los bordes.
en su papel Publicado recientemente en Nature, los investigadores informaron que habían diseñado con éxito un dispositivo que emula sistemas de electrones que interactúan fuertemente con aplicaciones prometedoras de química cuántica.
El profesor Simmons explicó que su experimento muestra “que puedes imitar literalmente lo que realmente sucede en la molécula real. Y por eso es emocionante porque las firmas de las dos cadenas son muy diferentes”.
La investigación exhaustiva de la química y las propiedades de las moléculas más grandes, como las que intervienen en los procesos de la vida, está fuera del alcance de las computadoras clásicas. La computación cuántica está entrando en escena para ayudar a comprender estos sistemas. Estamos presenciando el inicio de una nueva revolución industrial con átomos como trabajadores y reglas dictadas por el mundo cuántico.
Referencias
- Kiczynski, M., Gorman, SK, Geng, H., Donnelly, MB, Chung, Y., He, Y., Keizer, JG y Simmons, MY (2022). Ingeniería de estados topológicos en puntos cuánticos de semiconductores basados en átomos. Naturaleza, 606(7915), 694–699. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04706-0
- Los científicos emulan a la naturaleza en un salto cuántico hacia las computadoras del futuro. (2022, 23 de junio). Sala de prensa de la UNSW. Recuperado el 6 de julio de 2022, de https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/scientists-emulate-nature-quantum-leap-towards-computers-future
