Simulació de la fotosíntesi amb supercomputador

Un equip d'informàtics, físics i químics de la Universitat del País Basc han participat en un projecte que pretén realitzar simulacions de la molècula en la qual succeeix la fotosíntesi, basant-se en la mecànica quàntica. Els investigadors han executat el paquet de programari Octopus a les supercomputadors més ràpides d'Europa. Després d'introduir diverses millores en el mateix, han fet les majors simulacions realitzades en aquest camp, utilitzant milers de processadors de manera eficient.
La supercomputació fa possible que científics i enginyers analitzen processos físics molt complexos utilitzant tècniques de simulació. Precisament, investigadors d'arquitectura i tecnologia de computadors i de física de materials de la Universitat del País Basc (UPV / EHU) estan col·laborant amb altres institucions espanyoles i europees per simular el procés d'absorció de la llum de les plantes o fotosíntesi.

La molècula encarregada de la fotosíntesi en plantes és la LHC-II (Light Harvesting Complex II), composta per més de 17.000 àtoms. Els científics no saben com actua aquesta molècula quan rep fotons de llum. Es necessiten ordinadors complexos i programes avançats per poder simular molècules tan grans com aquesta.
Joseba Alberdi, enginyer informàtic de la UPV / EHU, ha dut a terme un estudi en aquest àmbit, publicat a la revista Physical Chemistry Chemical Physics, gràcies a la col·laboració del grup Aldapa del departament d'Arquitectura i Tecnologia de Computadors de la Facultat d'Informàtica i del grup Nano-Bio Spectroscopy de la Facultat de Químiques.
El paquet de programari Octopus, utilitzat per fer els càlculs, es fonamenta en dues teories que són fruit de la reformulació de la mecànica quàntica i que es basen en la densitat electrònica. Amb aquestes dues teories, s'ha aconseguit resoldre problemes de mecànica quàntica per ordinador; ja que "d'una altra manera, s'obtenen equacions tan complexes que són impossibles de resoldre, fins i tot amb els ordinadors més potents".

Per simular sistemes de mida real es necessiten temps d'execució molt llargs, i l'única alternativa és utilitzar superordinadors. En aquest treball, s'han pogut utilitzar algunes de les màquines més ràpides del món: l'alemanya Juqueen (amb 458.752 nuclis de processament o cores), la italiana Fermi (amb 163.840 nuclis), l'alemanya Hydra (65.320 nuclis) i MareNostrum III, del Centre Nacional de Supercomputació a Barcelona (48.896 nuclis), entre d'altres.

Demostrar que la teoria coincideix amb la realitat
L'objectiu del treball ha estat optimitzar el codi Octopus i aconseguir un alt rendiment, per a poder obtenir factors d'acceleració adequats en els càlculs que es realitzen en els superordinadors. De fet, per poder executar aquest codi en múltiples processadors, s'han hagut de millorar diversos problemes de memòria i de rendiment.
Encara és tot un repte executar la molècula LHC-II en la seva totalitat, però han aconseguit simular parts importants de la molècula. S'han simulat sistemes de 5.759, 4.050 i 6.075 àtoms, són les majors simulacions fetes fins ara. En aquestes simulacions ha estat possible provar que la teoria coincideix amb la realitat.
Aquestes simulacions permetran entendre, per primera vegada, les reaccions que succeeixen en els primers femtosegons (milbillonésima part d'un segon) de la fotosíntesi. A més, les millores introduïdes en l'aplicació possibiliten la simulació de molts altres sistemes d'aquesta mida, i com que a més es tracta d'un programari lliure, està a l'abast de tots els físics.


Font: SINC