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La IA penetra en el sistema cuántico que origina la materia y la vida

La Inteligencia Artificial (IA) es capaz de penetrar en el interior de una molécula y aprender de sus electrones para describir el comportamiento del sistema cuántico que da forma a la materia y a la vida.

Investigadores alemanes han logrado la proeza de introducir la Inteligencia Artificial (IA) en el sistema cuántico que da forma a las moléculas que componen la materia y la vida.

Las moléculas son componentes básicos de la materia y de la vida, pero están formadas por átomos y electrones que no siguen las leyes de la física clásica, sino de la mecánica cuántica.

Esta característica de la arquitectura de la naturaleza ha originado la química cuántica, una rama de la química teórica que describe el comportamiento de la materia a nivel molecular.

Las aplicaciones de la química cuántica abarcan tanto a la materia orgánica como inorgánica, pero ambas están sometidas a las paradojas de la mecánica cuántica.

Una de esas paradojas es la dualidad onda partícula, según la cual una partícula elemental puede comportarse simultáneamente como onda o como partícula: difícil saber dónde y cómo está en cada momento.

Una ecuación cuántica

Para resolver el problema que representa esta dualidad para las aplicaciones prácticas de la mecánica cuántica, el físico austriaco Erwin Schrödinger ideó en 1925 una ecuación que describía cualquier estado de una partícula como si fuese una onda.

La ecuación permite calcular la probabilidad de que suceda un evento cuántico, aunque el resultado final no se presenta como algo concreto: solo determina las probabilidades de encontrar partículas y ondas en un determinado lugar y momento, pero no el comportamiento preciso de una partícula u onda en particular.

Sin embargo, la solución de la ecuación de Schrödinger es un problema matemático extremadamente difícil en la práctica, para el cual aún no se conoce una solución calculable exacta y eficiente.

Ahora hemos descubierto que la Inteligencia Artificial puede ayudar a resolverla, según una investigación de la Universidad Libre de Berlín cuyos resultados se publican en la revista «Nature Chemistry».

Inteligencia Artificial cuántica

Los autores de esta investigación desarrollaron un proceso de aprendizaje profundo con el que la ecuación de Schrödinger se puede resolver mediante una inédita combinación de precisión y rapidez.

El aprendizaje profundo es una rama de la Inteligencia Artificial que, mediante algoritmos de aprendizaje automático, replica en una máquina la capacidad que tenemos los seres humanos de obtener ciertos tipos de conocimientos.

Más particularmente, el aprendizaje profundo replica la capacidad cerebral de análisis predictivo, que nos permite hacer predicciones acerca del futuro o de acontecimientos no conocidos, justo lo que busca la ecuación de Schrödinger​​.

«Creemos que nuestro enfoque tendrá un impacto significativo en la química cuántica», dice el director de esta investigación, Frank Noé, en un comunicado.

Función de onda

El objetivo de la mecánica cuántica es predecir las propiedades químicas y físicas de las moléculas únicamente sobre la base de la disposición espacial de sus átomos. De este modo se pueden evitar los costosos y laboriosos experimentos de laboratorio, explican los investigadores.

El objeto central de la ecuación de Schrödinger aplicada a la química cuántica es la función de onda, es decir, un cálculo matemático que describe el comportamiento de los electrones en el interior de la molécula, en función de probabilidades predecibles.

La función de onda es extremadamente difícil de describir en todos sus matices, por lo que muchas veces ni siquiera se intenta: la ecuación determina más bien la energía de una molécula, sin ir más lejos.

Otros métodos utilizados hasta ahora ensamblan la función de onda con una gran cantidad cálculos matemáticos, lo que los hace inviables desde el punto de vista informático para un cálculo exacto de solo un puñado de átomos, explican los investigadores.

La IA, una solución mejor

El procedimiento propuesto por la nueva investigación integra en la IA las propiedades físicas fundamentales del sistema cuántico de las moléculas y obtiene unos resultados que combinan precisión y eficiencia computacional en la descripción de la dinámica de sus partículas, destaca otro de los científicos, Jan Hermann.

La red neuronal profunda desarrollada en este trabajo es un enfoque completamente nuevo para la representación de las funciones de onda electrónicas: aprende los patrones de movimiento complejos de los electrones alrededor de los núcleos atómicos y calcula así con mayor precisión las probabilidades del comportamiento del sistema cuántico de las moléculas.

De esta forma, la IA puede resolver con mayor eficiencia y rapidez la difícil ecuación de Schrödinger, uno de los grandes desafíos de la física, aunque los autores reconocen que todavía quedan muchos retos por resolver antes de que su ingenioso método pueda utilizarse para aplicaciones industriales.

No es la primera vez que la IA se adentra en el universo cuántico. Este mismo año investigadores rusos crearon una red neuronal capaz de predecir el comportamiento de un sistema cuántico y de determinar si representa una ventaja cuántica respecto a otros dispositivos.

Referencia

Deep-neural-network solution of the electronic Schrödinger equation. Jan Hermann et al. Nature Chemistry, volume 12, pages891–897(2020). DOI:https://doi.org/10.1038/s41557-020-0544-y

Foto: Gerald. Pixabay.

 

 

 

 

 

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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