El futuro cuántico de la química

Por qué los ordenadores cuánticos podrían cambiar para siempre la manera de investigar en química.

RICHARD BORGE

En síntesis

Las reacciones químicas son tan complejas que resultan imposibles de modelizar con precisión. A pesar de las técnicas computacionales para calcular procesos moleculares, muchos descubrimientos químicos siguen dependiendo del azar.

Esa situación podría cambiar en un futuro próximo gracias a la computación cuántica. En los últimos años, los ordenadores cuánticos ya han conseguido empezar a modelizar con éxito las propiedades de algunas moléculas sencillas.

Una estrategia basada en incorporar algoritmos cuánticos en los procesos de modelización ya existentes permitiría abordar varios problemas, desde la contaminación por plásticos hasta la huella de carbono de numerosos materiales.

En mi carrera como química he contraído una enorme deuda con la serendipia. En 2012 me encontraba en el lugar correcto (el Laboratorio Almaden de IBM, en California) en el momento adecuado, pero cometí un «error». Confiaba en crear cierto material conocido mezclando sus tres componentes en un vaso de precipitados, pero pretendía sustituir uno de ellos por una versión derivada de residuos plásticos. El objetivo consistía en aumentar la sostenibilidad de un tipo de plásticos extraordinariamente resistentes denominados polímeros termoestables.

Sin embargo, cuando combiné dos de los componentes, se formó una sustancia plástica blanca y dura en el vaso. Era tan rígida que me vi obligada a romper el recipiente para extraerla. Además, tras permanecer sumergido en ácido diluido durante toda la noche, se descompuso en sus materiales precursores. Sin buscarlo, había descubierto toda una nueva familia de polímeros termoestables reciclables. De haberlo considerado un experimento fallido y no haber indagado, nunca habríamos averiguado lo que habíamos obtenido. Fue una casualidad científica en su máxima expresión, en la noble tradición de Roy Plunkett, quien inventó el teflón por puro accidente mientras estudiaba la química de los gases refrigerantes.

Actualmente me he propuesto una nueva meta: reducir la necesidad de la serendipia en los hallazgos químicos. Algunos retos, como la crisis climática o la COVID-19, son tan inmensos que las soluciones no deberían depender de la suerte. La naturaleza es compleja y poderosa, y hemos de ser capaces de modelizarla con precisión si aspiramos a conseguir los avances científicos que aún nos urgen. En particular, si pretendemos impulsar la química, deberíamos ser capaces de entender la energética de las reacciones químicas con un alto grado de confianza. La idea no es nueva, pero pone de relieve una seria limitación: predecir con total exactitud el comportamiento de las moléculas, incluso las más sencillas, se encuentra más allá del alcance de muchos de los ordenadores más potentes. Es aquí donde la computación cuántica brinda la posibilidad de lograr grandes progresos en los próximos años.

La modelización de reacciones químicas en ordenadores clásicos exige realizar todo tipo de aproximaciones. Ello se debe a que estas máquinas no pueden calcular con exactitud el comportamiento cuántico de más de un par de electrones, ya que los cálculos son abrumadores y requieren demasiado tiempo. Pero cada simplificación devalúa la calidad del modelo, lo que aumenta la cantidad de trabajo de laboratorio que hace falta para validarlo. Sin embargo, la computación cuántica funciona de otra manera. Cada bit cuántico, o qubit, puede corresponder a los orbitales de espín de un electrón. Estos ordenadores se valen de fenómenos genuinamente cuánticos, como el entrelazamiento, para describir las interacciones electrónicas sin necesidad de hacer aproximaciones. Y la computación cuántica se encuentra en una fase de desarrollo que ya permite empezar a modelizar las propiedades de moléculas pequeñas, como el hidruro de litio. Ello ofrece la posibilidad de elaborar nuevos modelos que abrirían vías de descubrimiento mucho más definidas que las que ahora transitamos.

Modelización de reacciones

La química cuántica no es en absoluto nueva. A principios del siglo XX, Walter Heitler, Fritz London y otros demostraron que el enlace covalente podía explicarse por medio de la mecánica cuántica. A finales del siglo XX, el aumento en la potencia de cálculo de los ordenadores propició la creación de algunos modelos básicos de sistemas clásicos.

Aun así, hacia 2005, la época en que me encontraba haciendo mi tesis doctoral en el Colegio Universitario de Londres, era relativamente raro que los químicos de laboratorio tuvieran un conocimiento funcional de la clase de modelos que podían simularse por ordenador. Tanto las disciplinas como el conjunto de aptitudes que requería cada una eran muy distintas. En lugar de explorar las nuevas perspectivas que aportaban los enfoques computacionales, los químicos de laboratorio se aferraban a procedimientos de ensayo y error, con la esperanza de obtener un hallazgo razonado aunque a menudo fortuito. En mi caso, tuve la suerte de formar parte del grupo de Amir Hoveyda, quien no tardó en reconocer el valor de combinar la investigación experimental con la teórica.

Puedes obtener el artículo en...

¿Tienes acceso a la revista?

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.