Computació quàntica d’una reacció de transferència protònica, fent servir 3 Qubits via RMN

Al blog Chemistry World hi ha una apassionant entrada titulada Bit part for diethylfluoromalonate in reaction model on s’hi parla de la simulació i computació mecanoquàntica d’un procés quàntic: la transferència protónica al manolaldehid

A quantum simulation has successfully described the progression of a chemical reaction for the first time. Researchers in China and Singapore used three quantum bits, or qubits, to mimic a laser-driven isomerisation reaction of malonaldehyde molecules.

Les transferències protòniques són unes reaccions molt estudiades, ja que són presents i són protagonistes de múltiples processos químics d’interès industrial i biològic. Solen tenir lloc amb una certa barrera d’energia, la qual, segons la forma que té, pot ser atravessada per l’anomenat efecte túnel, és a dir, els reactius poden esdevenir productes sense que se superi l’alçada energètica de la barrera. Aquesta reacció, doncs, ha de ser estudiada, si es vol fer bé, tenint en compte varis factors i condicions inicials; en aquest cas es tracte però d’una reacció unimolecular, ja que la transferència de protó és a dins de la mateixa molècula, el malonaldehíd.

Fins aquí no hi ha res de nou, ja que l’estudi mecanoquàntic de la transferència protònica ja és habitual. El que no n’és és la seva simulació per computació quàntica en lloc de computació clàssica: fer servir ordinadors quàntics en lloc d’ordinadors clàssics. Quin avantatge té? Doncs principalment de velocitat: en lloc d’incrementar-se exponencialment el cost computacional en funció de la mida d’un sistema, només s’incrementa linialment.

Què s’ha fet servir com a ordinador quàntic en aquest estudi? Doncs unà molècula força senzilla (el post de Chemistry World és una mica confús aquí i és millor anar a llegir l’article original de Phys. Rev. Lett., 2011, 107, 020501 de D. Lu et al (Xina i Singapur, ja que el sistema estudiat i la molècula que actua de computador quàntic s’assemblen!):

on es fan servir els spins dels nuclis especificats dels isòtops F19, C13 i H1 a la molècula de fluoromalonat de dietil, tot fent-los interactuar amb làsers: res més que Ressonància Magnètica Nuclear (NMR). Es tracta d’un ordinador quàntic de 3 qubits. Amb això s’aconsegueix simular a la vegada 8 variables (2**3=8), que són 8 punts considerats a la superfície d’energia potencial (doble pou) de la transferència protònica al manolaldehid.

De la introducció de l’article esmentat, queda clar que aquí s’ha fer servir un sistema amb qubits de RMN, però que un altres sistema, el de fotònica quàntica, també és util. He trobat dues referències que ja coneixia, però que recullo:

• Simulated Quantum Computation of Molecular Energies, Science 9 September 2005: Vol. 309 no. 5741 pp. 1704-1707, DOI: 10.1126/science.1113479, Alán Aspuru-Guzik1,*†, Anthony D. Dutoi1,*, Peter J. Love2 and Martin Head-Gordon1,3
• Towards quantum chemistry on a quantum computer, B. P. Lanyon, J. D. Whitfield, G. G. Gillett, M. E. Goggin, M. P. Almeida, I. Kassal, J. D. Biamonte, M. Mohseni, B. J. Powell, M. Barbieri, A. Aspuru-Guzik & A. G. White, Nature Chemistry 2, 106–111 (2010) doi:10.1038/nchem.483

Senzillament, un tema apassionant!

Ah! per cert, el resultat de la simulació és que la quàntica (fent servir 3 qubits) i la clàssica (fent servir bits) dónen el mateix resultat. Però molt més ràpida la quàntica, lògicament… encara que de moment és per a pocs graus de llibertat (tres). Quan es puguin tenir ordinadors quàntics més grans, potser veurem una explosió de càlculs i simulacions. Mentre tant, seguim amb els nostres clústers clàssics de PCs.