Investigadores de la Universidad del País Vasco/EHU utilizan computación de alto rendimiento, supercomputadoras, para simular los procesos que ocurren en los primeros instantes de la fotosíntesis.
Joseba Alberdi, junto a la supercomputadora del grupo Nano-Bio Spectroscopy. Fuente: UPV-EHU.
Informáticos, físicos y químicos de la UPV colaboran en la realización de simulaciones de la molécula en la que sucede la fotosíntesis, basándose en la mecánica cuántica. Han ejecutado el paquete de software Octopus en las supercomputadoras más rápidas de Europa, y, una vez introducidas diversas mejoras en el mismo, han hecho las mayores simulaciones realizadas en este campo, utilizando miles de procesadores de manera eficiente.
La informática —sobre todo desde la creación de supercomputadoras— hace posible que científicos e ingenieros analicen procesos físicos muy complejos utilizando técnicas de simulación. Investigadores del Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores y del Departamento de Física de Materiales de la UPV/EHU colaboran con investigadores de diversas universidades (entre otras, Universidad de Coimbra, Universitat de Barcelona, Lawrence Livermore National Laboratory, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Universidad de Lieja), explica la UPV en una nota, basándose en teorías sobre cómo funciona la fotosíntesis, un proceso que no se conoce del todo.
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 realizado su tesis en este ámbito, gracias a la colaboración del grupo Aldapa de la Facultad de Informática y del grupo Nano-Bio Spectroscopy de la Facultad de Químicas.
Un gran rendimiento
El 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 las supercomputadoras más potentes», explica Alberdi.
«Lamentablemente, para simular sistemas de tamaño real se necesitan tiempos de ejecución muy largos, y la única alternativa es utilizar supercomputadoras», añade. En este trabajo, han podido utilizar algunas de las supercomputadoras más rápidas del mundo: la alemana Juqueen, la italiana Fermi, la alemana Hydra y la catalana MareNostrum III, entre otras.
El objetivo de la tesis de Alberdi 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 las supercomputadoras. 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.
En estas simulaciones han podido probar que la teoría coincide con la realidad. «Estas simulaciones nos permitirán entender, por primera vez, las reacciones que suceden en los primeros femtosegundos (10–15 s) de la fotosíntesis», explica. Asimismo, las mejoras introducidas en la aplicación posibilitan la simulación de muchos otros sistemas de este tamaño, y como además se trata de un software libre, está al alcance de todos los físicos.
