18 desembre 2019

Quàntica: la recerca química del futur


Javier Argüello Luengo (Espanya, 2018) està fent el doctorat en Fotònica a l’Institut de Ciències Fotòniques de Barcelona (ICFO) i acaba de publicar a Nature l’article “Analogue quantum chemistry simulation”, una recerca innovadora que ha desenvolupat amb un equip de científics de l’Institut Max Planck d’Òptica Quàntica, el CSIC i l’Institut d’Òptica i Informació Quàntica d’Innsbruck.

La seva recerca se centra en el desenvolupament d’un simulador quàntic analògic per resoldre problemes de química que els ordinadors convencionals no són capaços d’aconseguir actualment.

El Javier explicava fa pocs dies en un fil a Twitter alguns aspectes d’aquesta recerca: “Els arquitectes del passat no van haver d’esperar l’última actualització d’AutoCAD per dissenyar el Colosseu romà o la Sagrada Família. Com l’encertaven? Doncs construïen maquetes que simulaven la física de l’edifici. Per exemple, Frei Otto feia servir pel·lícules de sabó per calcular les superfícies més estables que havien de cobrir l’estadi olímpic de Munic”.

Aquest exemple tan gràfic que vas compartir a Twitter és un símil del simulador quàntic analògic?

Exacte, és un exemple de com, al llarg de la història, els humans hem confiat en simuladors analògics per afrontar problemes físics que no es podien resoldre amb els mitjans de l’època. Per seguir amb l’exemple, calcular la càrrega estructural d’un edifici és un problema massa complex per calcular-lo a mà i, fins que no es va desenvolupar la computació, no teníem ordinadors que ens hi ajudessin. El que feien aquests arquitectes era construir petites maquetes en què, amb cordes i saquets de sorra, trobaven les formes que distribuirien millor les càrregues de l’edifici. Com que aquestes maquetes estaven subjectes a les mateixes forces i tensions que l’edifici final, hi podien veure l’estructura buscada sense necessitat de calcular-la. Si tornem al nostre temps, nosaltres ara mateix no tenim ordinadors que siguin eficients resolvent problemes químics, i una alternativa molt desitjable seria disposar de simuladors capaços de reproduir les forces que senten els electrons dins d’una molècula, que són els que determinen la majoria de propietats químiques rellevants en indústria o bioquímica. Com podem dissenyar un simulador capaç d’afrontar problemes de química és una cosa que fins ara es desconeixia.

Com és aleshores el simulador que heu proposat?

Doncs, com que les molècules segueixen les lleis de la quàntica, el nostre simulador també necessita seguir aquestes lleis. Un sistema quàntic sobre el qual tenim molt control en el laboratori és el que descriuen els àtoms a baixes temperatures. Fent servir la llum d’un làser es pot manipular la forma en què aquests àtoms es mouen i interactuen entre si, la qual cosa possibilita des de fa més d’una dècada simular alguns problemes quàntics relacionats amb la física de materials o el magnetisme. El repte per aplicar ara aquesta plataforma en problemes químics és aconseguir que aquest àtoms sentin les mateixes forces que afecten els electrons dins d’una molècula. És a dir, que puguin moure’s, veure’s atrets a certes posicions nuclears, i repel·lir-se entre si de la mateixa manera que els electrons a la natura. El que hem trobat en aquest treball és un esquema experimental capaç d’aconseguir-ho, i això obre la porta a fer servir aquests simuladors com una eina que permeti comprendre millor les propietats moleculars difícils de calcular amb altres mètodes.

Com s’estan investigant actualment les noves substàncies en la indústria química?

Actualment hi ha un gran interès per resoldre estructures químiques. En el camp de la biomedicina, per exemple, predir la forma més estable en què els àtoms d’una proteïna es distribueixen en l’espai permet comprendre la funció biològica que pot desenvolupar. També hi ha aquests càlculs darrere de la síntesi de nous fàrmacs, o del disseny de processos industrials més eficients. Com que es tracta d’un problema quàntic, els ordinadors convencionals són especialment ineficients per tractar problemes químics de manera exacta, per la qual cosa durant l’últim segle s’han anat desenvolupat mètodes numèrics cada vegada més refinats per trobar solucions aproximades a alguns d’aquests problemes, tan precises com ho permet la nostra capacitat computacional. Mentre que amb això n’hi ha prou per a algunes tasques, hi ha altres problemes complexos i rellevants que esperen ser resolts per ordinadors més potents que els que tenim avui, o amb un canvi radical en la forma de resoldre’ls.

 

En aquest canvi de paradigma, una alternativa molt poderosa és la d’afrontar problemes químics ajudats per ordinadors que també segueixin les lleis de la quàntica. Aquesta és una línia de recerca enormement activa els últims anys, i va molt lligada al desenvolupament de la computació quàntica. Les últimes setmanes, Google ha anunciat un problema concret que el seu ordinador quàntic de 53 bits quàntics és capaç de resoldre més ràpidament que qualsevol ordinador convencional. Assolir també aquest avantatge quàntic en problemes químics rellevants és un repte complex i exigent, però també una de les aplicacions més il·lusionants d’aquest camp. Per aconseguir-ho cal que aquests ordinadors quàntics continuïn creixent en mida i fidelitat, per a la qual cosa els experts confien en un profund desenvolupament tecnològic durant les pròximes dècades. Al llarg d’aquest recorregut, aleshores, tindria un gran interès disposar de sistemes quàntics que, encara que no es puguin configurar per resoldre qualsevol problema, com faria un ordinador quàntic, sí que estiguin dissenyats específicament per afrontar problemes químics concrets. Aquesta és una direcció en què els simuladors analògics ofereixen una oportunitat molt desitjable.

Què aporta el teu projecte al futur de la recerca? Ens podries explicar un exemple concret d’algun problema que ara no té solució i que en podria tenir?

Un dels avantatges principals de la simulació analògica és l’elevat grau de control que ofereix. D’una banda, ens permet estudiar la natura en condicions més favorables que les que trobaríem en molècules reals. Per exemple, aquests electrons simulats són fins a deu mil vegades més grans que els electrons i es poden moure fins a dotze ordres de magnitud més a poc a poc, la qual cosa permetria observar com té lloc una reacció química amb una nitidesa i precisió temporal difícil d’assolir en un experiment de laboratori. D’altra banda, tot i que les interaccions que senten els electrons dins d’una molècula són fixades per la natura, aquests simuladors permeten modificar-les a voluntat amb l’encesa o apagada d’un làser, oferint la solució exacta a problemes la resolució dels quals excedeix de moment la nostra capacitat de càlcul.

 

Ara que sabem que la simulació analògica de problemes químics és possible, el pas següent és comprovar-ho experimentalment. Esperem que els anys vinents puguin aparèixer experiments simplificats que facin servir algunes de les estratègies que hem desenvolupat per resoldre alguns problemes químics trivials, i que obrin el camí per afrontar a més llarg termini simulacions més complexes. En molts casos, es desconeix com són de bones les aproximacions que es fan servir en els ordinadors convencionals, i disposar d’un sistema quàntic per contrastar-hi la precisió i la correcció seria una eina molt poderosa per millorar i validar els models químics que fem servir actualment.