Computación cuántica aplicada. Farma & Química

Químico

,

Farmáceutica

,

Computación Cuántica

Computación cuántica aplicada. Farma & Química

Beatriz Varona | dic 10, 2020

En los anteriores artículos de esta misma serie de Computación Cuántica Aplicada: “Parte I - Energía & Utilities”, “Parte II - Banca & Servicios Financieros” y “Parte III - Manufacturing & Automotive”, vimos varias de las múltiples aplicaciones que tendrá la computación cuántica en los próximos años. En este nuevo artículo, vamos a explorar otra de sus aplicaciones en la que se espera que tenga un gran alcance: Farma & Química.

Las computadoras cuánticas, utilizan el principio de superposición y pueden funcionar de una forma mucho más rápida que las computadoras convencionales. Estas constan de bits cuánticos, o qubits, en lugar de los bits clásicos a los que estamos acostumbrados. El número de qubits que tenga el dispositivo representa la cantidad de bits que pueden estar en superposición, y estos qubits van a hacer que aumente exponencialmente la capacidad de procesamiento del ordenador cuántico. Por tanto, se espera que el desarrollo y la implementación de estas computadoras cuánticas vaya aumentando también de forma exponencial, y que, en pocos años, sean capaces de resolver problemas que los ordenadores clásicos no pueden.

En el ámbito de la industria farmacéutica se utilizan ordenadores convencionales y supercomputadoras para hacer simulaciones y predicciones de modelado molecular, pero los ordenadores cuánticos podrían realizar estas simulaciones de una forma mucho más rápida. Esto supondría un gran impacto, ya que se aceleraría el descubrimiento, la investigación y el desarrollo de nuevos fármacos. Las industrias farmacéuticas podrían aprovecharse de esta nueva tecnología y salir gratamente beneficiadas.

La computación cuántica también podría revolucionar el área de la industria química. Esta gran velocidad de procesamiento que promete la computación cuántica podría ser útil a la hora de simular reacciones moleculares, crear materiales nuevos para la fabricación de baterías, identificar nuevos catalizadores para producir fertilizantes, y de esta forma, mejorar la producción de alimentos, descubrir métodos mejorados para eliminar el dióxido de carbono del aire, o reducir las emisiones de efecto invernadero, etc.

En “Introducción a la Programación en Computación Cuántica. Parte I”, comentamos que desde 2017, se utiliza la computación cuántica para modelar moléculas. IBM publicó ese mismo año en la revista Nature una simulación de un sistema molecular de cierta complejidad con un dispositivo de seis qubits.

En 2019, Google ya demostró la supremacía cuántica, (“Supremacía cuántica: Google vs IBM”), es decir, que un ordenador cuántico diese solución a un problema que una computadora clásica no podía resolver. Esto fue bastante criticado, ya que tenía aplicaciones reales limitadas y no probaba que su computadora cuántica pudiese hacer algo útil. Este año, Google, con su procesador cuántico Sycamore, ha realizado otra singular hazaña: simular con éxito una reacción química simple.

Captura de pantalla 2020-12-10 a las 11.02.43Computadora cuántica Sycamore de Google. Fuente: wired.com

Sycamore es una computadora cuántica superconductora (en el artículo “Tecnologías de las computadoras cuánticas. Parte I - Qubits Superconductores”, analizamos las computadoras cuánticas formadas por qubits superconductores). Esta consta de 54 qubits, pero para la simulación cuántica de química, como se describió el pasado 28 de agosto en la revista Science, se han utilizado hasta 12 qubits. Para este exitoso experimento, Google AI Quantum y sus colaboradores desarrollaron un algoritmo basado en inteligencia artificial y se realizaron simulaciones de dos problemas químicos.

El primer problema fue la simulación de la energía de enlace de una molécula de 12 átomos de hidrógeno, en la que se utilizó un qubit representando cada electrón de un átomo. Y el segundo problema fue la simulación del mecanismo de isomerización del diazeno, que es una molécula que contiene átomos de hidrógeno y nitrógeno. Este procedimiento también se puede realizar en una computadora clásica, pero Google, ha demostrado con esto la versatilidad de este dispositivo, ya que es totalmente programable y se puede utilizar para cualquier tarea.

En el pasado artículo “¿Está la tecnología actual preparada para una pandemia? - Supercomputadoras, computadoras cuánticas y COVID-19”, vimos cómo durante estos pasados meses se han estado utilizando supercomputadoras y computadoras cuánticas para analizar las proteínas del coronavirus, llamadas SARS-CoV-2. Los átomos de estas proteínas fluctúan e interaccionan constantemente entre sí, y mediante simulaciones digitales, se pueden estudiar las distintas formas que puede tomar la estructura de la proteína. De esta forma, se pueden obtener nuevas moléculas de posibles fármacos analizando medicamentos que se pueden acoplar en las proteínas del virus y anular su función.

Captura de pantalla 2020-12-10 a las 11.16.41Coronavirus SARS-CoV-2. Fuente: www.dwavesys.com

El principal problema es que las fluctuaciones de las proteínas son muy rápidas y hay que trabajar muy deprisa. Por ejemplo, para el SARS-CoV-2, hay que realizar más de un trillón de operaciones por segundo. Actualmente se necesita como mínimo una supercomputadora que realice este tipo de simulaciones, ya que un ordenador convencional podría tardar más de 100 años en realizar este tipo de operaciones. Esto puede ser una tarea muy complicada incluso para un superordenador, pero tal vez no lo sea tanto para una computadora cuántica.

D-Wave, la compañía canadiense de computación cuántica, es la primera proveedora comercial de computadoras cuánticas del mundo. Además, ha resultado ser una de las pioneras en investigación acerca de fármacos efectivos contra el coronavirus en esta pandemia, utilizando dispositivos cuánticos. D-Wave ha proporcionado acceso a la nube Leap 2 para el uso de sus computadoras cuánticas de forma gratuita, con el fin de investigar acerca temas relacionados con esta crisis. También proporciona actualmente acceso a la nube a empresas, gobiernos laboratorios e instituciones académicas, como Google, NASA Ames, Volkswagen, Los Alamos National Laboratory y Oak Ridge National Laboratory.

Captura de pantalla 2020-12-10 a las 11.36.22Computadora cuántica D-Wave. Fuente: www.dwavesys.com

Son muchas las empresas farmacéuticas y de desarrollo científico o tecnológico que se han sumado ya a esta nueva tecnología cuántica para acelerar sus procesos, como es el caso de la organización sin fines de lucro Pistoia Alliance, que promueve la colaboración entre compañías y ha conseguido ya más de 100 miembros de todo el mundo, entre ellos AstraZeneca, Pfizer, Accenture, Roche o Zapata Computing. Pistoia Alliance se asoció con Quantum Economic Development Consortium (QED-C), creado en 2018 por el gobierno de EE. UU.

Qupharm, compuesto por 17 compañías farmacéuticas, también apuesta por el uso de la computación cuántica para acelerar la investigación científica y el desarrollo de nuevas vacunas y fármacos. 

Aunque Google ha realizado diversas hazañas e incluso ha demostrado la supremacía cuántica el pasado año, por el momento las computadoras cuánticas no proporcionan mucha más velocidad de procesamiento que los ordenadores clásicos. Pero esperamos que, en los próximos años, esta nueva tecnología cuántica revolucione la informática en el campo Farma & Química y todas las demás áreas.

 

Bibliografía:

¡Suscríbete!