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jueves, 30 de julio de 2015

Los superordenadores más rápidos de Europa tratan de simular la fotosíntesis

Un equipo de informáticos, físicos y químicos de la Universidad del País Vasco ha participado en un proyecto que pretende realizar simulaciones de la molécula en la que sucede la fotosíntesis, basándose en la mecánica cuántica. Los investigadores han ejecutado el paquete de software Octopus en las supercomputadoras más rápidas de Europa. Tras introducir diversas mejoras en el mismo, han hecho las mayores simulaciones realizadas en este campo, utilizando miles de procesadores de manera eficiente.

La supercomputación hace posible que científicos e ingenieros analicen procesos físicos muy complejos utilizando técnicas de simulación. Precisamente, investigadores de arquitectura y tecnología de computadores y del física de materiales de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) están colaborando con otras instituciones españolas y europeas para simular el proceso de absorción de la luz de las plantas o fotosíntesis.

La molécula encargada de la fotosíntesis en plantas es la LHC-II (Light Harvesting Complex II), compuesta por más de 17.000 átomos. Los científicos no saben cómo actúa esta molécula cuando recibe fotones de luz. Se necesitan computadoras complejas y programas avanzados para poder simular moléculas tan grandes como esta.

Joseba Alberdi, ingeniero informático de la UPV/EHU, ha llevado a cabo un estudio en este ámbito, publicado en la revista Physical Chemistry Chemical Physics, gracias a la colaboración del grupo ALDAPA del departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores de la Facultad de Informática y del grupo Nano-Bio Spectroscopy de la Facultad de Químicas.

El paquete de software Octopus, utilizado para hacer los cálculos, se fundamenta en dos teorías que son fruto de la reformulación de la mecánica cuántica y que se basan en la densidad electrónica. Con estas dos teorías, se ha conseguido resolver problemas de mecánica cuántica por ordenador; ya que "de otra manera, se obtienen ecuaciones tan complejas que son imposibles de resolver, incluso con los ordenadores más potentes", explica Alberdi.

"Lamentablemente, para simular sistemas de tamaño real se necesitan tiempos de ejecución muy largos, y la única alternativa es utilizar superordenadores", añade. En este trabajo, han podido utilizar algunos de las máquinas más rápidas del mundo: la alemana Juqueen (con 458.752 núcleos de procesamiento o cores), la italiana Fermi (con 163.840 núcleos), la alemana Hydra (65.320 núcleos) y MareNostrum III, del Centro Nacional de Supercomputación en Barcelona (48.896 núcleos), entre otras.

Probar que la teoría coincide con la realidad
El objetivo del trabajo ha sido optimizar el código Octopus y conseguir un alto rendimiento, para poder obtener factores de aceleración adecuados en los cálculos que se realizan en los superordenadores. De hecho, para poder ejecutar este código en múltiples procesadores, se han tenido que mejorar diversos problemas de memoria y de rendimiento.

Todavía es todo un reto ejecutar la molécula LHC-II en su totalidad, pero han conseguido simular partes importantes de la molécula. "Hemos simulado sistemas de 5.759, 4.050 y 6.075 átomos; de acuerdo con los datos de los que disponemos, son las mayores simulaciones hechas hasta ahora", manifiesta el investigador. En estas simulaciones han podido probar que la teoría coincide con la realidad", indica el investigador.

"Estas simulaciones nos permitirán entender, por primera vez, las reacciones que suceden en los primeros femtosegundos (milbillonésima parte de un segundo) de la fotosíntesis. Además, las mejoras introducidas en la aplicación posibilitan la simulación de muchos otros sistemas de este tamaño, y como además se trata de unsoftware libre, está al alcance de todos los físicos", concluye.

Referencia bibliográfica: J. Jornet-Somoza, J. Alberdi-Rodriguez, B.F. Milne, X. Andrade, M.A.L. Marques, F. Nogueira, M.J.T. Oliveira, James J. P. Stewart and A. Rubio. "Insights into colour-tuning of chlorophyll optical response in green plants",Physical Chemistry Chemical Physics (julio 2015)

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