Scoprire nuovi farmaci e materiali simulandoli con un computer quantistico

Nel mese di settembre dello scorso anno (2017) su Nature è stato pubblicato uno studio di un gruppo di ricercatori IBM che hanno utilizzato con successo 7 qubits del loro computer quantistico, (IBM Q), per simulare la struttura molecolare dell’idruro di berillio (BeH2). Si tratta della molecola più complessa simulata fino ad ora con un computer quantistico. Fisici e chimici utilizzano ordinariamente i supercomputer classici per simulare il comportamento di atomi e molecole. Queste simulazioni però richiedono una potenza di calcolo incredibilmente elevata poiché modellare le interazioni tra tre o più particelle diventa maledettamente complesso. Gli elettroni all’interno delle molecole obbediscono alle strane leggi della meccanica quantistica: è impossibile determinare con precisione la loro posizione e velocità. Questo, quindi, rende molto complesso calcolare la loro distribuzione all’interno di una molecola. Con i supercomputer più potenti di oggi si riescono a simulare solo poche centinaia di atomi.

Un computer quantistico ha simulato la molecola dell’idruro di berillio, dell’idruro di litio e dell’idrogeno (mostrate nell’ordine da sinistra a destra), segnando così un record mondiale. (Fonte: IBM RESEARCH)

Un computer quantistico ha simulato la molecola dell’idruro di berillio, dell’idruro di litio e dell’idrogeno (mostrate nell’ordine da sinistra a destra), segnando così un record mondiale. (Fonte: IBM RESEARCH)

Ma gli scienziati credono che i computer quantistici saranno in grado di superare i loro “cugini classici”. Nel lontano 1981, il premio Nobel per la fisica, Richard Feynman ha previsto che i computer basati sul paradigma del calcolo quantistico avrebbero potuto simulare in modo preciso qualsiasi tipo di molecola. Un computer tradizionale usa i bit, che possono valere 0 o 1, mentre un computer quantistico usa i “qubit” che possono trovarsi contemporaneamente nello stato 0 e 1. I qubit possono essere collegati in modo da creare un processore quantistico molto potente, che, in teoria potrebbe simulare molecole complesse in modo più efficiente di un computer convenzionale. Molti scienziati pensano che una delle applicazioni fondamentali dei computer quantistici sarà la possibilità di scoprire nuovi farmaci e nuovi materiali.

Ad oggi i computer quantistici sono però limitati dall’estrema sensibilità dei qubit alle perturbazioni ambientali: i delicati stati quantistici possono essere distrutti da fluttuazioni nella temperatura e da interferenze elettromagnetiche. Più qubit sono connessi insiemi, più grande diventa questo problema.

Nel 2016 i ricercatori di Google (ai laboratori di Venice in California), utilizzando tre qubit, sono riusciti a calcolare i livelli energetici fondamentali degli elettroni della molecola di idrogeno.

I ricercatori di IBM hanno battuto il record nel 2017: utilizzando fino a 6 qubit, sono riusciti a simulare l’idrogeno, l’idruro di litio ed infine la molecola dell’idruro di berillio (BeH2). Per prima cosa hanno codificato nel computer quantistico, la disposizione degli elettroni di ogni molecola. Poi hanno utilizzato un algoritmo specifico per spingere le molecole simulate verso i livelli minimi di energia (stati fondamentali), che sono stati misurati e codificati su un computer convenzionale. Il procedimento è stato ripetuto fino al raggiungimento del più basso livello di energia della molecola (un importante passo per molte applicazioni della chimica).

Utilizzando questo algoritmo iterativo, il computer quantistico di IBM ha calcolato con successo lo stato fondamentale di energia di tutte e tre le molecole, segnando così un vero e proprio record nella simulazione quantistica.

A causa degli inevitabili errori del calcolo quantistico, i risultati non stati stati totalmente accurati. Ma questa dimostrazione potrebbe aiutare i chimici a comprendere meglio le molecole conosciute e a scoprirne di nuove.

Per gli scopi pratici, comunque, l’idruro di berillio è ancora una molecola troppo piccola. Ad esempio, i nuovi composti farmaceutici sono costituiti tipicamente da 50-80 atomi. E le proteine cellulari con cui questi farmaci devono interagire, e che dovrebbero anch’esse essere simulate, possono arrivare a contenere migliaia di atomi.