COMPUTACIÓN CUÁNTICA Y TRADICIONAL: LA ALIANZA QUE ACELERA EL FUTURO

Con la finalización del Año de la Cuántica, el debate sobre el desarrollo de estas tecnologías ha cobrado una relevancia sin precedentes. Lo que durante décadas fue materia de teoría y modelos abstractos comienza a materializarse en sistemas reales, como el ordenador cuántico IBM–Basque Country, operativo en San Sebastián, en el edificio Ikerbasque en plena milla cuántica, a pocos metros de la sede de nanoGUNE. Este avance supone un hito significativo, pero también conlleva una gran responsabilidad: el camino hacia aplicaciones capaces de afrontar los grandes retos que promete aún está por construirse.

Uno de los desafíos más significativos consiste en lograr la conexión entre dos ámbitos: el clásico y el cuántico, en el terreno de la computación. Durante décadas, la ciencia —y en particular la ciencia de materiales— ha recurrido a ordenadores “clásicos” para simular la naturaleza. Estos métodos han permitido explicar innumerables fenómenos, especialmente en sistemas atomísticos. Mientras que los cálculos más sencillos se realizan en equipos convencionales, los más complejos requieren superordenadores HPC (High Performance Computing), como los disponibles en la Universidad del País Vasco o el Donostia International Physics Center (DIPC).

Para estas simulaciones se emplean códigos especializados, como SIESTA, utilizado por varios miles de investigadores e investigadoras en todo el mundo y por empresas tecnológicas para simulaciones avanzadas. “SIESTA es un programa que permite ‘ver’ cómo se comportan los átomos y las moléculas sin necesidad de experimentos reales en un laboratorio. Es un software utilizado para simular las propiedades electrónicas y estructurales de materiales, desde moléculas biológicas hasta sólidos complejos”, explica Emilio Artacho, investigador Ikerbasque en nanoGUNE y uno de los creadores de SIESTA en 1996, junto a Pablo Ordejón, José M. Soler y Daniel Sánchez-Portal.

Sin embargo, existen sistemas que estas teorías no han logrado describir con precisión, como aquellos que presentan correlaciones electrónicas fuertes en moléculas complejas —por ejemplo, la hemoglobina— o en materiales con defectos estructurales. Los ordenadores cuánticos ofrecen una vía prometedora para abordar estos problemas.

No obstante, la integración entre ambos mundos no es trivial. Las arquitecturas y principios físicos que sustentan los HPC y los ordenadores cuánticos son radicalmente distintos, lo que impide reutilizar los mismos códigos. Aun así, será imprescindible que ambos sistemas colaboren: los superordenadores seguirán siendo insustituibles para ciertos cálculos, mientras que los ordenadores cuánticos podrán resolver partes específicas que hoy resultan inaccesibles. Esto exige desarrollar herramientas capaces de traducir y transferir información entre ambos entornos, integrando resultados cuánticos en simulaciones clásicas.

En esta línea, el investigador Yann Pouillon, de nanoGUNE, trabaja en colaboración con IBM para permitir a SIESTA acceder a ordenadores cuánticos. “Actualmente, desarrollamos software orientado a comprender mejor moléculas y materiales complejos, con el objetivo de mejorar la calidad de vida. Por ejemplo, en el ámbito de la energía, permitirá diseñar células fotovoltaicas más eficientes; y en el campo biomédico, profundizar en el conocimiento de moléculas complejas como la hemoglobina, lo que podría traducirse en nuevas y mejores terapias en el futuro”, explica Pouillon. “El campo de la computación cuántica está avanzando tan rápido que va a resultar vital desarrollar un sistema versátil que permita ir incorporando los distintos avances de una forma ágil. En este sentido, nuestras colaboraciones se están expandiendo tanto a nivel local, con el DIPC por ejemplo, como a nivel internacional”, relata el investigador. El objetivo de Pouillon es conseguir una plataforma híbrida, clásica-cuántica, que permitirá que la comunidad científica internacional usuaria de SIESTA disponga de una herramienta pionera para explorar nuevos fenómenos en materiales, conectando de manera efectiva el mundo clásico y el cuántico. Esta hibridación de SIESTA con el ordenador cuántico permitirá un uso más accesible y generalizado del IBM-Euskadi Quantum Computational Center por parte de la comunidad científica y de las empresas. “A largo plazo, lo ideal sería que el ordenador cuántico sea como cuando utilizamos tarjetas gráficas en los ordenadores convencionales; un complemento supereficiente para cosas concretas que no puede hacer un HPC”, explica Pouillon. 

Este avance, en el que también están involucrada la empresa Simune -spin-off de nanoGUNE que ofrece software avanzado y servicios de simulación a empresas tecnológicas e industriales- supone, según su directora científica Mónica García-Mota, “un nuevo impulso que posiciona a Simune como un canal tecnológico entre la investigación puntera y la industria”. “La integración de capacidades cuánticas en el código SIESTA, motor de nuestra plataforma ASAP (Atomistic Simulation Advanced Platform) significa que podremos ofrecer a nuestros clientes industriales una interfaz accesible para resolver problemas de correlaciones electrónicas fuertes que antes eran inabordables. Esto convierte a ASAP en la vía directa para que las empresas accedan a la potencia de la computación cuántica, logrando un impacto real y efectivo en sus procesos de I+D”, explica García-Mota.

Video de la investigación: https://youtu.be/21pOgTpbYl0