100 cubits son suficientes para que un ordenador cuántico sea útil a los químicos

La computación cuántica es un campo que me encanta. Constantemente se están descubriendo interesantes resultados que merecen entradas en este blog. El último que me ha llamado mucho la atención es “Polynomial-time quantum algorithm for the simulation of chemical dynamics,” Ivan Kassal, Stephen P. Jordan, Peter J. Love, Masoud Mohseni, and Alán Aspuru-Guzik, PNAS 105: 18681-18686, December 2, 2008 .

La química cuántica tiene un problema. El coste computacional de la simulación cuántica de reacciones químicas crece exponencialmente con el número de átomos en ordenadores clásicos, impidiendo estudiar moléculas “grandes.” Los algoritmos cuánticos permiten resolver ciertos problemas de coste clásico exponencial en tiempo polinomial, es decir, pueden volver eficientes algoritmos clásicos que son ineficientes. El artículo presenta un sencillo algoritmo cuántico que puede ser insertado como oráculo en un simulador de reacciones químicas clásico logrando la simulación eficiente (en tiempo polinomial) de reacciones químicas. De hecho, el algoritmo resuelve las interacciones núcleo-electrones y entre electrones en tiempo cuadrático. Lo sorprendente del artículo es que bastan 100 cubits para poder utilizar este oráculo de forma práctica (superando a los mejores supercomputadores clásicos).

Por supuesto, nadie ha construido hasta ahora un ordenador cuántico con 100 cubits. Pero quién sabe, ¡¡ la ciencia y técnica avanzan que es una barbaridad !!

A los interesados en los detalles técnicos (quienes entiendan la figura que acompaña esta entrada sin más explicación) les recomiendo el suplemento (supporting information) que es el que detalla el cálculo de la complejidad computacional del algoritmo. Lo más importante del artículo, como ya va siendo habitual, en el suplemento online. Afortunadamente, es de acceso gratuito (no necesita subscripción a PNAS). Algo bueno tiene que tener esta práctica “antimétodo” científico.

La primera curiosidad bioquímica: ¿los átomos de nuestro cuerpo se renuevan cada 5 años?

La primera de las “10 curiosidades bioquímicas sobre nuestro cuerpo” me ha llamado especialmente la atención: “El cuerpo humano recambia prácticamente todos los átomos que lo forman en un plazo de unos 5 años. ¡Unos 10^27 átomos! Mírate bien, en unos años no quedará nada de ti.“ 

¿Cómo se calcula esto? El autor del blog (tallcute) confiesa que “creo que han calculado las tasas de recambio: proteínas, lípidos… Por ejemplo, por cada molécula de glucosa se incorporan a nuestro organismos dos átomos de carbono y de igual forma se puede estimar el resto. Yo había leído con anterioridad que se recambia el 98% en sólo un año, aunque me parece mucho.”

¿Alguna referencia científica seria al cálculo? La WikiAnswers “Does the human body regenerate every 7 years?,” me ha aclarado muchas cosas. Nos remite al artículo de Kirsty L. Spalding, Ratan D. Bhardwaj, Bruce A. Buchholz, Henrik Druid, Jonas Frisén, “Retrospective Birth Dating of Cells in Humans,” Cell, 122: 133-143, 2005 , comentado para todos los públicos por Paola Arlotta, Jeffrey D. Macklis, “Archeo-Cell Biology: Carbon Dating Is Not Just for Pots and Dinosaurs,” Cell 122: 4-6, 2005 .

Los autores encuentran que la mayoría de las células de los tejidos de nuestros cuerpos son más jóvenes que las persona que las porta, y muy pocas células (neuronas)viven tanto como la propia persona.

Estos resultados se obtienen del estudio del Carbono 14, isótopo radioactivo, en el ADN de diferentes células en diferentes tejidos. El nivel del C-14 en nuestros cuerpos es proporcional al que contienen las plantas, que lo fijan de la atmósfera, es decir, al atmosférico. Los niveles atmosféricos de C-14 han decrecido desde que se prohibieron las pruebas de armas nucleares a cielo abierto (en 1963 fueron las últimas conocidas).

Spalding et al. encuentran que la vida media del tejido intestinal es de unos 11 años, la de los tejidos musculares de unos 15.1 años, siendo los tejidos del cerebro los que más duran (algunos tanto como la propia persona).

En un artículo aparecido en el New York Times, “Your Body Is Younger Than You Think,” Nicholas Wade, August 2, 2005 , el autor sugiere que la mayoría de nuestras células tienen 10 años o menos. Por supuesto, esto sería un valor medio, ya que depende del tejido considerado.

Los resultados de Spalding et al. se pueden interpretar como que las moléculas de las que se “fabrican” las nuevas células son obtenidas del exterior (de la atmósfera) y no son recicladas de nuestro propio cuerpo. En promedio, entre 7 y 10 años es la vida media de un átomo en nuestro cuerpo. Incluso las células que más viven, las neuronas en el cortex cerebral, están constantemente fabricando nuevas proteínas y moléculas de ARN, con lo que constantemente consumen carbohidratos y lípidos. Por ello, es bastante plausible que el tiempo medio de renovación de todos los átomos de nuestro cuerpo sea del orden de 7 años.

¿De dónde ha sacado tall & cute (“alto y guapo”) su dato de 5 años en lugar del más “científico” de 7 años? En cualquier caso, si os interesa mi opinión de inexperto, a mí no me convence mucho el dato.

Sobre la técnica utilizada en estos estudios AMS (Accelerator mass spectrometry) os recomiendo los artículos breves de revisión J.S. Vogel et al. “Biochemical paths in humans and cells: Frontiers of AMS bioanalysis,” 2007, y C. Tuniz, G. Norton, “Accelerator mass spectrometry: New trends and applications,” 2007 .

Bacterias procariotas gigantes que dejan rastros en el fondo del mar

Imagina una bacteria unicelular. ¿Cómo la verías? ¿Con un microscopio o a simple vista? En el fondo del mar hay bacterias de 3 cm. de diámetro, que se ven a simple vista. El vídeo muestra las encontradas en las Bahamas. Mikhail V. Matz, Tamara M. Frank, N. Justin Marshall, Edith A. Widder, Sönke Johnsen, “Giant Deep-Sea Protist Produces Bilaterian-like Traces,” Current Biology, Article in Press, 2008 . Más vídeos.

En el siguiente vídeo (en inglés) el propio Misha Matz, nos cuenta la importancia de su descubrimiento.

Aquí tenéis una foto en detalle de dichas bacterias gigantes (alucinante). (c) Misha Matz.

La gélida materia oscura del universo o lo inmensamente grande y lo infinitamente pequeño

La mayor parte de la materia del universo es materia oscura. Es oscura porque no interactúa con la fuerza electromagnética, por lo que parece transparente. Sabemos, o creemos saber, que existe, pues no ha sido detectada de forma directa aún (el famoso “si no lo veo, no lo creo”). Creemos saber que existe por sus efectos gravitatorios sobre la materia visible ordinaria (bariónica). Quizás el LHC (Large Hadron Collider) del CERN detecte este tipo de materia. O quizás no. ¿Qué se puede saber sobre ella usando la Astronomía? Gerard Gilmore, ”How Cold Is Cold Dark Matter?,” Science, 322, 1476, 5 December 2008 , trata de dar respuesta a esta pregunta.

¿Cómo influye la materia oscura en la evolución de las estructuras del universo a pequeña y gran escala? Si lo supiéramos en detalle podríamos diferenciar entre los múltiples candidatos a materia oscura que han sido propuestos.

A gran escala en el universo tenemos que recurrir a los datos del fondo de microondas obtenidos por el WMAP, que nos indican cómo era el universo cuando contaba sólo unos 300 mil años tras la Gran Explosión. La materia oscura caliente (partículas de pequeña masa que se mueven a velocidades ultrarrelativistas) y la materia oscura fría (partículas de gran masa que se mueven a velocidades no relativistas) generarían una distribución de “grumos” a diferente escala. La comparación entre simulaciones numéricas y los datos experimentales del WMAP muestra que la materia oscura contiene cierta contribución caliente (neutrinos masivos), ondas gravitatorias, y radiación, aunque la componente dominante es materia oscura fría (posiblemente algún nuevo tipo de partícula aún desconocido). 

A pequeña escala en el universo, la escala de las galaxias, nos tenemos que limitar a nuestro Grupo Local de galaxias, al que pertenece nuestra Vía Láctea. Los datos observacionales más recientes indican que el número de galaxias satélite enanas (en concreto alrededor de la Vía Láctea) es mucho mayor del que se pensaba. La formación de estas galaxias enanas, en los primeros mil millones de años de historia del universo, estaba dominada por la materia oscura. El número de estas galaxias satélite es mucho mayor de lo que se pensaba y sus estructuras luminosas tienen un tamaño de mínimo de unos 300 años luz. Esta última característica depende del tipo de materia oscura considerada. Sin embargo, todavía los datos no son lo suficientemente exactos como para discriminar sus propiedades más importantes. La materia oscura es clave para entender la dinámica galáctica y esta última para entender muchas de las propiedades de la primera.

La misión de la Agencia Espacial Europea (ESA) llamada Gaia, que se lanzará en 2011, medirá de forma muy precisa las distancias absolutas y las velocidades transversales de más de mil millones de estrellas con una magnitud inferior a 20. Estas medidas de paralaje permitirán identificar gran número de las propiedades de la materia oscura en nuestro entorno cercano. 

La materia oscura es un buen ejemplo de cómo la astrofísica y la física de partículas elementales se dan la mano. Lo inmensamente grande y lo infinitamente pequeño. Maravillas de la física moderna.