Pensándolo bien...

La Naturaleza es compleja. Hasta aquí, nada que oponer. Al tiempo es poderosa. Si alguien lo duda no tiene más que abrir las espitas de la observación, reparando en cualquiera de los procesos que forman parte del escenario habitual en el que nos desenvolvemos. Todo lo que parece sencillo, ha llevado mucho tiempo de reflexión, ensayo e intentos por parte de legiones de científicos que se afanan en descubrir los secretos que guarda.

La Química es esa Ciencia en la que la Naturaleza basa sus producciones e intenciones más audaces. Las reacciones químicas se han visto muy favorecidas desde que mediante la Química Cuántica permite abordar la energética de las mismas y, de esta forma, se puede pensar en predecir con mucha precisión el comportamiento de las moléculas. La única limitación es el requerimiento de ordenadores muy potentes para poder abordar las moléculas teóricamente. El advenimiento de la computación cuántica es la esperanza para lograr progresos significativos.

Se entenderá fácilmente que la computación molecular se ha visto impelida  a restricciones por la capacidad de cálculo, desde su nacimiento de la mano de Heitler y London que propusieron en 1927 el estudio de los enlaces covalentes en la molécula de hidrógeno. Linus Paulign y Slater también contribuyeron a configurar las dos teorías fundamentales de orbitales moleculares y teoría del enlace valencia, que propulsaron en función de las capacidades de calculo que permitían los ordenadores que progresivamente han ido apareciendo.

La modelización de las reacciones químicas se restringe por aproximaciones que imponen los ordenadores clásicos. Los cálculos son colosales en memoria y en tiempo, una vez superada la pareja de electrones. Es necesario acometer aproximaciones derivadas de las limitaciones, que retan constantemente a la creatividad e ingenio de los investigadores que acometen tales empresas. La computación cuántica abre una ventana por la que se espera que el aire fresco de una capacidad de cálculo y una velocidad de los algoritmos muy superior a las convencionales, posibiliten abordar problemas de muchos electrones, hoy inalcanzables de forma exacta.

Una posibilidad es que cada qubit represente un espin-orbital de un electrón. Las interacciones interelectrónicas se describen de forma genuina en la computación cuántica, dado que el entrelazamiento las contempla de forma expresa, por lo que no hace falta introducir aproximaciones, como ocurre en la computación convencional. En el marco de las actuales realizaciones de ordenadores cuánticos, ya es posible abordar problemas asociados a propiedades de moléculas pequeñas.

La investigación teórica y la experimental, no han ido siempre de la mano. No es raro encontrar a algún teórico que afirme que “los experimentos hay que saber abandonarlos”, y por el contrario, “las conjeturas teóricas no valen para mucho”. La Química experimental se ha aferrado a procedimientos de ensayo y error, en el que la esperanza de lograr un descubrimiento, en realidad descansaba en la suerte, serendipia o sinónimos similares. Hoy es un imperativo la colaboración. Ambas requieren de especialización suficiente, pero son ramas complementarias. Hoy la modelización previa a la experimentación es tarea habitual en los laboratorios más cualificados. Es un círculo de perfección en el que la teoría alimenta la experimentación y ésta informa para perfeccionar la predicción. Se inicia con lo que se denomina modelo de grano grueso, lo que todavía implica imprecisión y trabajo de laboratorio y poco a poco realimentando se perfecciona a grano fino.

Con la computación cuántica todo cambia porque se podrán abordar sistemas más complejos y con otro orden de aproximación, incluso sin ella. Para 2023 se anuncia que se dispondrán de computadores cuánticos que manejen hasta 1000 bits, como es el caso de IBM. Hace bien poco se accedía tan solo a unas decenas. Tanto el estado fundamental como los primeros estados excitados de los sistemas moleculares estarán al alcance y la distribución de carga resultará accesible sin aproximaciones, lo que permitirá abordar los mecanismos de las reacciones químicas desde su más profunda intimidad. El estudio de los radicales será accesible superando las actuales limitaciones de los ordenadores clásicos.

El futuro previsible permite conjeturar que una idea química podrá corroborarse usando algoritmos cuánticos con antelación al hallazgo en el laboratorio, lo que facilitará que tal situación ocurra. Las estrategias que se desarrollarán incluirán la computación cuántica de los problemas moleculares como etapa previa. Modelización molecular, computación cuántica y después laboratorio. Las interacciones, los puntos neurálgicos de la enzima, la intervención del disolvente o la incidencia de la formación de enlaces de hidrógeno, su fortaleza y la redistribución electrónica en los confórmeros o las debilidades de los enlaces ante la radiación, podrán predecirse sin las aproximaciones que hoy día es preciso aplicar, por las limitaciones de las capacidades de cálculo.  En suma las reacciones, gracias al progreso tecnológico, podrán ser estudiadas y analizadas desde la teoría, de forma que el ingenio que hoy día exigen estos tratamientos podrán trasladarse a otros ámbitos del estudio, como viene ocurriendo conforme avanza el tiempo y las posibilidades de cálculo se multiplican.

Hay muchos campos de investigación que anhelan el devenir de la computación cuántica, desde la contaminación a escala global, hasta el campo energético pasando por la predicción del tiempo o tantas y tantas cosas de la vida que exigen rapidez de respuesta y materialización de ese concepto evanescente como es el de tiempo real. Hoy, en nuestros centros de estudios de Química, en especial en nuestras Facultades, es preciso tomar conciencia de que los químicos del futuro inmediato tienen un escenario en el que sus posibilidades son mucho mayores con los ordenadores cuánticos como aliados. Se trata de tratamiento de propósito general. Harían bien las autoridades, formadas en marcos más antiguos y menos exigentes, sean capaces de vislumbrar la importancia del diseño molecular y la modelización molecular como el gran aliado de la investigación química.