¿Pueden las computadoras cuánticas realmente acelerar el camino hacia el cero neto?

¿Pueden las computadoras cuánticas realmente acelerar el camino hacia el cero neto?

En la COP28 en Dubai, los líderes mundiales se unirán para abordar la crisis climática, incluido el papel que desempeñarán la tecnología y la innovación.

Si queremos alcanzar la ambición de cero emisiones netas para 2050, entonces debemos aportar todas las soluciones políticas e innovadoras que podamos permitirnos.

La magnitud de este desafío sistémico significa que no puede resolverse con una sola innovación; en vista de ello, es natural ser muy escéptico ante cualquier solución tecnológica que pretenda “resolverlo”.

Es especialmente natural ser escéptico ante una tecnología tan de moda como la computación cuántica y decir que algún día podría «resolver la crisis climática», «resolver el hambre en el mundo» o tal vez incluso «salvar el invierno».

Pero como tecnología con gran potencial, ayuda a comprender si ayudará a resolver la crisis climática, cuándo y en qué medida.

Una de las aplicaciones más importantes a corto plazo de las computadoras cuánticas es el modelado de sistemas físicos donde la mecánica cuántica juega un papel importante.

Esta es una tarea increíblemente difícil para las computadoras estándar, pero ideal para las computadoras cuánticas. Y resulta que muchas tecnologías importantes de energía limpia, incluidas las células solares y los catalizadores, tienen efectos de la mecánica cuántica en su esencia.

Canalizando el potencial cuántico para la energía renovable

Miremos la energía renovable en forma de almacenamiento en baterías, una herramienta importante en el arsenal para combatir el cambio climático.

Después de años de importantes caídas de precios, la energía eólica y solar ahora son más baratas que los combustibles fósiles y se consideran esenciales para lograr el cero neto.

Pero estas dos fuentes de poder son intermitentes. El almacenamiento de energía es necesario para permitir la gestión de la capacidad durante los picos y valles de la demanda y para hacer frente a las noches y los días sin viento. Sólo en el Reino Unido, National Grid estima que se necesitan más de 50 GW de capacidad para alcanzar el nivel cero neto en 2050.

Un trabajador camina por el sitio de construcción de un reactor nuclear en la central nuclear de Hinckley Point C en Somerset, octubre de 2022.

Un trabajador camina por el sitio de construcción de un reactor nuclear en la central nuclear de Hinckley Point C en Somerset, octubre de 2022. – Foto AP/Kin Cheung

Para necesidades a corto plazo, el almacenamiento en baterías de iones de litio es la tecnología líder. Sin embargo, el costo del almacenamiento en baterías puede ser tres veces mayor que el de la energía eólica o solar marina, lo que hace que estas tecnologías no sean competitivas con los combustibles fósiles.

Sin embargo, a veces todavía no existe una tecnología de baterías probada comercialmente a gran escala.

El desarrollo de mejores baterías podría cambiar fundamentalmente nuestra capacidad de depender de la energía solar y eólica.

Mejores baterías, energía más limpia

Diseñar nuevas baterías con densidad de energía mejorada es un objetivo importante, pero se ha visto frenado por la necesidad de realizar extensos experimentos de laboratorio para probar los materiales candidatos.

Existe una desconcertante variedad de posibles materiales para baterías, pero llevaría demasiado tiempo probarlos todos en el laboratorio, y los métodos computacionales actuales para modelarlos son a veces demasiado imprecisos para ser útiles.

Las computadoras cuánticas ofrecerán la capacidad de calcular con precisión la densidad de energía de los materiales de las baterías en la práctica y no en el laboratorio.

Esto, a su vez, permitirá examinar cientos de nuevos materiales de baterías para seleccionar los más prometedores para las pruebas finales de laboratorio.

La computación cuántica también puede ayudar a desarrollar otras tecnologías limpias, como la energía fotovoltaica para la generación de energía y los superconductores para el almacenamiento o la transmisión de energía.

Trabajadores transportan baterías de iones de litio en una fábrica en Taizhou, provincia de Jiangsu, en el este de China, julio de 2018.

Trabajadores transportan baterías de iones de litio en una fábrica en Taizhou, provincia de Jiangsu, en el este de China, julio de 2018. -AP/Chinatopix

Esto no es solo una ilusión: sabemos cómo diseñar algoritmos cuánticos para calcular propiedades importantes de los materiales de las baterías; todo lo que queda es realizar las mejoras necesarias en hardware y software para mejorar el rendimiento de modo que estos algoritmos puedan ejecutarse en problemas significativos.

Unas mejores baterías también pueden tener un impacto significativo en la energía limpia más allá del mero almacenamiento. Por ejemplo, podrían habilitar coches eléctricos de alta gama o incluso vuelos propulsados ​​por baterías.

La computación cuántica también puede ayudar a desarrollar otras tecnologías limpias, como la energía fotovoltaica para la generación de energía y los superconductores para el almacenamiento o la transmisión de energía.

Objetivo 2030 para ayudar a alcanzar cero emisiones netas para 2050

Llegar al cero neto para 2050 en lugar de 2070 podría ser la diferencia entre lograr 1,5 grados y no 2 grados de calentamiento, suficiente para salvar miles de vidas cada año.

Una nueva tecnología de baterías puede tardar entre 10 y 20 años en pasar del prototipo a la comercialización total.

Entonces, para que la computación cuántica tenga un impacto significativo en el logro de cero emisiones netas para 2050, necesitaríamos ver los primeros materiales de batería descubiertos mediante computación cuántica para 2030.

La computación cuántica podría ser una pieza importante del rompecabezas del cero neto. Al menos en este punto, esperamos que los delegados de la COP28 puedan llegar a un acuerdo.

La gente viaja en un scooter eléctrico durante la Cumbre sobre el Clima de la ONU COP28, diciembre de 2023

La gente viaja en un scooter eléctrico durante la Cumbre sobre el Clima de la ONU COP28, diciembre de 2023 – Foto AP/Rafiq Maqbool

Esta escala de tiempo se puede lograr si nos esforzamos por resolver problemas importantes como el modelado del material de las baterías en las computadoras cuánticas de un futuro cercano.

En PhaseCraft, hemos demostrado una reducción del coste de los algoritmos cuánticos para modelar materiales en un factor de más de un millón.

Creemos que encontrar más reducciones de este tipo y modelar materiales de baterías, así como otros sistemas físicos importantes, utilizando computadoras cuánticas en el corto plazo está a la vista.

Una pieza importante del rompecabezas del cero neto

Por sí sola, la computación cuántica no puede lograr cero emisiones netas ni “resolver” el cambio climático: requerirá una cooperación internacional sostenida, tanto entre los líderes mundiales como la comunidad cuántica, así como importantes recortes de emisiones.

Pero, si trabajamos juntos, podemos utilizar esta tecnología para permitir una innovación verde revolucionaria.

Dada la urgencia de este problema, el desarrollo de hardware y software cuánticos debe continuar a buen ritmo; esperar a que la tecnología esté completamente madura será demasiado tarde para lograr un impacto.

La computación cuántica podría ser una pieza importante del rompecabezas del cero neto. Al menos en este punto, esperamos que los delegados de la COP28 puedan llegar a un acuerdo.

Ashley Montarro es profesora de Computación Cuántica en la Universidad de Bristol y cofundadora y directora ejecutiva de la empresa de algoritmos cuánticos PhaseCraft.

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