Durante casi una década, una molécula ha sido el "santo grial" de la computación cuántica: FeMoCo, el cofactor de hierro-molibdeno que permite a ciertas bacterias convertir el aire en fertilizante. Una startup de tecnología profunda con sede en Tokio llamada H.I.Council acaba de realizar el primer cálculo del mundo a escala de 108 qubits de esta molécula en una computadora cuántica real. Los resultados revelan tanto las promesas como los límites concretos del hardware cuántico actual.

¿Qué es FeMoCo y por qué es importante?

Algunos microorganismos en la Tierra pueden convertir el nitrógeno del aire en amoníaco a temperatura ambiente y presión normal, una hazaña que los humanos solo pueden replicar industrialmente mediante el proceso Haber-Bosch, que requiere temperaturas extremas (más de 400°C) y presión (más de 200 atmósferas). Este proceso industrial es responsable de aproximadamente el 1,8% de las emisiones globales de CO₂ y consume entre el 3 y el 5% del gas natural mundial.

El secreto detrás del truco de la naturaleza reside en una enzima llamada nitrogenasa, cuyo centro activo contiene una molécula conocida como FeMoCo (MoFe₇S₉C). Si los científicos pudieran comprender completamente cómo funciona FeMoCo, podría llevar a catalizadores revolucionarios que produzcan fertilizantes de manera mucho más eficiente, un avance con enormes implicaciones para la agricultura, la energía y el clima.

Sin embargo, la estructura electrónica de FeMoCo es tan compleja que las supercomputadoras clásicas no pueden simularla con precisión. En 2017, un equipo liderado por Markus Reiher en ETH Zúrich estimó que simular FeMoCo requeriría aproximadamente 108 qubits y la designó como la "aplicación estrella" de la computación cuántica. Desde entonces, descifrar FeMoCo ha sido el objetivo principal de toda la industria.

El logro de H.I.Council: cuatro escalas en hardware real

H.I.Council, una empresa de tecnología profunda ubicada en Shibuya, Tokio (fundada por Futoshi Hamanoue), ejecutó cálculos de estructura electrónica de FeMoCo en cuatro escalas, 48, 56, 80 y 108 qubits, en el procesador cuántico más reciente de IBM, ibm_pittsburgh (Heron r2, 156 qubits).

El equipo logró cuatro resultados clave.

Primero, completaron el primer cálculo de FeMoCo a escala de 108 qubits del mundo en hardware cuántico real. Utilizando un método llamado Monte Carlo cuántico de campo auxiliar sin fase (ph-AFQMC), alcanzaron un error estadístico de solo ±0,67 miliHartree, una precisión sin precedentes a esta escala. Sin embargo, la precisión química completa sigue siendo un desafío que requiere más mejoras en el error sistemático.

Segundo, midiendo correlaciones espaciales en múltiples escalas, cuantificaron sistemáticamente cómo las señales de correlación se atenúan a medida que aumenta la profundidad del circuito. A escala de 108 qubits, la señal de correlación extraíble tenía un tope de aproximadamente r ≈ 0,03, incluso después de aplicar alrededor de 20 métodos de estimación bayesiana diferentes. Denominaron este límite el "muro de coherencia", la primera medición sistemática de los límites cuantitativos del hardware cuántico actual.

Tercero, y quizás lo más sorprendente, utilizando métodos computacionales clásicos basados en la química cuántica (funciones de onda de prueba multi-determinantes DMRG combinadas con ph-AFQMC), lograron precisión química (+1,07 miliHartree) para FeMoCo a escala de 48 qubits. Este es un resultado histórico porque la industria de la computación cuántica ha creído durante mucho tiempo que la precisión química de FeMoCo solo podría lograrse mediante computación cuántica. H.I.Council demostró que el conocimiento de la mecánica cuántica puede aprovecharse por una ruta diferente, la química cuántica clásica, para alcanzar el mismo objetivo.

Cuarto, el equipo propuso tres direcciones específicas para mejorar el hardware cuántico de próxima generación: alejarse de la termalización isotrópica, priorizar la calidad de conectividad sobre la cantidad bruta de qubits y diseñar sesgos de hardware para preservar las columnas vertebrales de información. Estas son hipótesis verificables ofrecidas como sugerencias constructivas a la comunidad de hardware cuántico.

"Ventaja cuántica amplia", Una nueva perspectiva

Una conclusión crucial de esta investigación es que no niega las computadoras cuánticas. Más bien, demuestra que existen múltiples caminos para traducir el conocimiento de la mecánica cuántica en resultados prácticos. La ejecución directa en computadoras cuánticas y los métodos clásicos de química cuántica aprovechan la misma comprensión fundamental de la física cuántica, solo que por rutas diferentes.

El equipo de investigación enmarca esto como "ventaja cuántica amplia", una perspectiva que gana terreno en el campo. Los métodos inspirados en la cuántica, los enfoques híbridos cuántico-clásicos y la computación cuántica pura son diferentes formas de poner la mecánica cuántica a trabajar.

Ciencia abierta y un llamado a la verificación

H.I.Council reconoce abiertamente que el "muro de coherencia" fue observado específicamente en el hardware Heron r2 de IBM. Hacen un llamado a la comunidad, incluyendo equipos que trabajan con Google, IonQ, Quantinuum, Pasqal, Fujitsu y RIKEN, para verificar independientemente si existen limitaciones similares en otras plataformas cuánticas.

El artículo pone a disposición pública todos los IDs de trabajos de IBM Quantum y datos relacionados. En un campo donde se invierten billones de yenes (decenas de miles de millones de dólares) en fondos públicos a nivel mundial, este tipo de verificación transparente basada en evidencia es esencial para inversores, legisladores y contribuyentes por igual.

De cara al futuro, H.I.Council planea aplicar su pipeline al cálculo de los intermediarios de reacción del ciclo catalítico completo de fijación de nitrógeno (los ocho estados intermedios conocidos como el ciclo de Lowe-Thorneley). El artículo ha sido publicado en acceso abierto en ChemRxiv y Zenodo, con tecnología relacionada bajo solicitud de patente en Japón.

En Japón, esta investigación está generando debates sobre el verdadero potencial de la computación cuántica. Algunos están impresionados por una startup pequeña que aborda un problema que grandes empresas tecnológicas han rodeado durante años. Otros cuestionan si el hallazgo del "muro de coherencia" sugiere que estamos más lejos de la computación cuántica útil de lo que el marketing de la industria implica. ¿Cómo es el panorama de la computación cuántica en tu país? ¡Nos encantaría conocer tu perspectiva en los comentarios!

Referencias