Cómo los principios cuánticos están transformando la química

A estas alturas, todos tenemos una idea bastante clara de cómo funciona la IA: escribes una orden en inglés sencillo, se la envías a un chatbot y este te devuelve un texto, una imagen o un código. Genial, ¿verdad? 

Ahora imagina que existiera algo así para cosas reales. Imagina que quisieras crear un nuevo medicamento para el dolor muscular o un nuevo material para los neumáticos de los coches, y que todo lo que tuvieras que hacer fuera pulsar un botón para conseguirlo. ¿Necesitas una nueva molécula medicinal? ¡Puf! Ya la tienes. 

Puede que ahora parezca ciencia ficción, pero en realidad estamos más cerca de lo que se podría pensar. La química cuántica ya se está utilizando para ayudar a los químicos a descubrir y crear nuevas moléculas utilizando principios cuánticos y ordenadores en lugar de las técnicas tradicionales de laboratorio. Aunque quizá no sea tan sencillo como pulsar un botón, ¡acelerar el proceso sin duda lo es!

¿Cómo ayuda la cuántica a la química?

Bien, supongamos que somos químicos y queremos crear una batería para teléfonos que no se agote a primera hora de la tarde. Para ello, necesitaremos un nuevo material, por lo que el proceso para encontrarlo suele ser el siguiente: identificar algunas moléculas posibles, intentar sintetizarlas en el laboratorio, probar los resultados para ver si funcionan y repetir el proceso cuando no es así. Tras muchos experimentos, lágrimas y años, conseguiremos un nuevo material.

¿Suena agotador? Lo es. Por eso, el descubrimiento y diseño molecular puede tardar hasta 20 años en pasar del laboratorio al mercado.

El uso de los principios cuánticos para el descubrimiento molecular ofrece a los químicos una alternativa: en lugar de comenzar con ese tedioso proceso de prueba y error, los químicos pueden tratar de comprender el comportamiento molecular a nivel cuántico antes incluso de poner un pie en el laboratorio.

Tomemos como ejemplo la batería de nuestro teléfono: esto sucedió realmente. Los científicos querían crear un nuevo material para las baterías de los teléfonos móviles que consumiera menos litio y utilizaron principios cuánticos para acelerar el proceso de búsqueda de un nuevo material. Un ordenador de alta potencia simuló los 32 millones de opciones posibles, un modelo de aprendizaje automático las clasificó y redujo a 500 000, y un método de química cuántica llamado «teoría funcional de la densidad» dio como resultado 150 opciones finales. 

Solo entonces los científicos se dirigieron al laboratorio con 18 compuestos para probar. En menos de una semana, pasaron de 32 millones de opciones a un material superior que utilizaba un 70 % menos de litio. ¡Puf!

The future of quantum chemistry

La química cuántica puede hacer lo mismo que la química tradicional en una fracción del tiempo; no es de extrañar que los científicos consideren que el futuro de la química está en la cuántica. 

Aunque actualmente se están utilizando el aprendizaje automático y los algoritmos cuánticos, la computación cuántica es la próxima aplicación de la cuántica; la gente está buscando cambiar las reglas del juego en la química. 

Por ejemplo, los científicos ya han utilizado un ordenador cuántico de átomos neutros para acelerar el proceso de descubrimiento de fármacos. En lugar de realizar pruebas y cometer errores en el laboratorio, utilizaron algoritmos cuánticos y computación cuántica de átomos neutros para mapear cómo las moléculas de agua afectan a los procesos biológicos. Con el tiempo, esa información podría utilizarse para ayudar a que un fármaco se una a una proteína del organismo. 

Este es solo un tipo de ordenador cuántico; se espera que pronto esté disponible un ordenador cuántico universal. Ese tipo de ordenador cuántico podría simular todo el complejo proceso de descubrimiento de fármacos, reduciendo drásticamente el tiempo necesario para ello, que actualmente es de 20 años.

Por estas razones, la cuántica es motivo de gran entusiasmo para los químicos. La aplicación de los algoritmos cuánticos, el aprendizaje automático y la computación a la química abre un nuevo mundo de posibilidades en el descubrimiento molecular. Quién sabe, quizá lo próximo sea crear moléculas con solo pulsar un botón.

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Obras citadas

Artículos científicos

Gacon, Julien, et al. «Dual-frame optimization for gate-model quantum programs with applications to protein folding.» Physical Review Research, vol. 6, no. 4, 2024, https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.6.043020.

Kohn, Nathan, et al. «Quantum-enhanced Markov chain Monte Carlo.» arXiv preprint arXiv:2401.04070, 2024, https://arxiv.org/abs/2401.04070.

Entradas del blog

Microsoft Azure Quantum Blog. «Accelerating materials discovery with AI and Azure Quantum Elements.» Microsoft Azure, 9 Aug. 2023, http://azure.microsoft.com/en-us/blog/quantum/2023/08/09/accelerating-materials-discovery-with-ai-and-azure-quantum-elements/.

World Economic Forum. «How quantum computing could accelerate drug development.» World Economic Forum, Jan. 2025, https://www.weforum.org/stories/2025/01/quantum-computing-drug-development/#:~:text=Quantum%20computing%2C%20by%20optimizing%20processes,to%20their%20specific%20biological%20profiles.

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Serena Krejci-Papa es una estudiante de primer año del máster en Química Teórica y Computacional de la Universidad de Barcelona, en el marco del programa Erasmus Mundus. Escribe sobre temas científicos complejos de una forma que hace reír a la gente. Puedes encontrar más información sobre ella en Sciencewithserena.com.