Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria correspondiente a artículos publicados entre octubre de 2019 y marzo de 2020.

Analogue quantum chemistry simulation
Nature 574, 215–218, 2019
Javier Argüello-Luengo, Alejandro González-Tudela, Tao Shi, Peter Zoller and J.Ignacio Cirac

 

Resolver la estructura electrónica de una molécula es un problema de gran interés. En el campo de la biomedicina, por ejemplo, permite comprender la función biológica que puede desempeñar una proteína a partir de la forma en que sus átomos se distribuyen en el espacio. Estos cálculos también aparecen en el diseño de procesos industriales más eficientes o la síntesis de nuevos fármacos. Bajo la aproximación de Born-Oppenheimer, muchos de estos resultados se centran en calcular los estados de electrones que se mueven en el espacio (i), se ven atraídos a ciertas posiciones nucleares (ii), y se repelen entre sí con una interacción muy característica (iii), el potencial de Coulomb.

A pesar de esta simplicidad aparente, los ordenadores convencionales son especialmente ineficientes para tratar de forma exacta problemas en que el comportamiento cuántico de los electrones juega un papel fundamental. Una alternativa muy ilusionante sería la de enfrentar problemas químicos ayudados por ordenadores que también sigan las leyes de la cuántica. En esta dirección, los expertos confían en un profundo desarrollo tecnológico durante las próximas décadas que impulsen el tamaño y fidelidad de los ordenadores cuánticos actuales [1]. A lo largo de este recorrido sería entonces de gran interés contar con sistemas cuánticos que, si bien no puedan configurarse para resolver cualquier problema dado, como haría un ordenador cuántico, sí estén específicamente diseñados para enfrentar problemas químicos concretos.

Es en esta dirección en que la simulación analógica ofrece una oportunidad muy deseable [2], contando con un sistema cuántico accesible y manipulable cuyas interacciona reproduzcan las de nuestro problema químico. Un sistema cuántico sobre el que existe un gran control experimental es el de los átomos a bajas temperaturas [3]. Por ejemplo, el espín electrónico puede codificarse en dos niveles metaestables de un átomo fermiónico. A bajas temperaturas, estos átomos quedan atrapados en los mínimos de intensidad de un haz láser. El salto por efecto túnel de un mínimo a otro contiguo define a primer orden el movimiento de los electrones en el espacio (i), lo que ha permitido desde hace más de una década simular problemas de materia condensada [4] y, más recientemente, cuestiones relacionadas con altas energías [5]. Utilizando técnicas similares, otro láser puede inducir en estos átomos el potencial asociado a una configuración nuclear dada (ii). El gran desafío restante para que estos átomos neutros reproduzcan el comportamiento de los electrones dentro de una molécula es lograr que sientan entre ellos la misma repulsión que sienten los electrones: el potencial de Coulomb.

Como mediador de esta repulsión de largo alcance contamos con otra especie atómica, con un átomo atrapado en cada mínimo de la red óptica. Sus excitaciones pueden propagarse por la red, viajando de uno de los electrones simulados a otro, mediando con ello una repulsión efectiva entre ellos (iii); de manera similar a cómo en la naturaleza un fotón virtual que se propaga de un electrón a otro es responsable del potencial de Coulomb que aparece entre ellos.

En esta propuesta teórica, fruto de la colaboración entre el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica, ICFO, IFF-CSIC e IQOQI, formalizamos esta intuición [6]. En concreto, caracterizamos el régimen de parámetros que da lugar a esta interacción de largo alcance, y que aplicamos para el sencillo caso del Hidrógeno molecular. Si bien su implementación final excede las posibilidades experimentales actuales, modelos simplificados pueden definir ya los primeros pasos para enfrentar problemas químicos sencillos mediante simulación analógica donde [7], por ejemplo, la dinámica electrónica simulada puede hacerse hasta doce órdenes de magnitud más lenta que la convencional. Esto ayudaría a mejorar los métodos numéricos actuales, proporcionando acceso experimental a un rango de interacciones y escalas temporales que, de otro modo, vienen determinadas por la naturaleza.

 

Figura 1 Representación esquemática del simulador analógico propuesto [6]. Átomos fermiónicos (blanco) atrapados en una red óptica 3D (azul) juegan el papel de los electrones. Sus saltos de un mínimo a otro simulan su cinética, y potenciales ópticos externos (verde) inducen la interacción nuclear. La repulsión electrónica entre estos átomos neutros es mediada por una excitación itinerante (rojo) sobre una especie atómica adicional (gris) atrapada en la misma red con un átomo de ocupación por sitio.

 

[1] Yudong Cao, et al., “Quantum Chemistry in the Age of Quantum Computing,» Chemical Reviews 119, 10856-10915 (2019).

[2] J. Ignacio Cirac, and Peter Zoller, «Goals and opportunities in quantum simulation”. Nature Physics 8, 264–266 (2012).

[3] Christian Gross and Immanuel Bloch, “Quantum simulations with ultracold atoms in optical lattices,» Science 357, 995-1001 (2017).

[4] Markus Greiner, Olaf Mandel, Tilman Esslinger, Theodor W. Hänsch, and Immanuel Bloch, “Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms,» Nature 415, 39-44 (2002).

[5] Frederik Görg, Kilian Sandholzer, Joaquín Minguzzi, Rémi Desbuquois, Michael Messer, and Tilman Esslinger, “Realization of density-dependent Peierls phases to engineer quantized gauge fields coupled to ultracold matter,» Nature Physics 15, 1161-1167 (2019).

[6] Javier Argüello-Luengo, Alejandro González-Tudela, Tao Shi, Peter Zoller, and J. Ignacio Cirac, “Analogue quantum chemistry simulation,» Nature 574, 215-218 (2019).

[7] Javier Argüello-Luengo, Alejandro González-Tudela, Tao Shi, Peter Zoller, and J. Ignacio Cirac, “Quantum Simulation of 2D Quantum Chemistry in Optical Lattices,» arXiv:2002.09373 (2020).