Supercomputadoras, computadoras cuánticas y Covid-19

La crisis del COVID-19 es una realidad. A día de la publicación de este artículo (actualizado a 22 de mayo de 2020), este virus deja más de 5.000.000 infectados y 335.000 muertos por todo el mundo, sumado a una gran crisis económica, con miles de millones de pérdidas para las empresas. Aunque logremos superar con éxito esta crisis, ha quedado claro que todo el planeta está perfectamente conectado, y posiblemente tengamos que enfrentarnos a nuevas pandemias, que se podrían expandir rápidamente en el futuro, para las cuáles, debemos estar preparados.

Se desconoce el origen exacto de esta enfermedad, pero los primeros contagios fueron detectados en diciembre de 2019. A partir de esta fecha, muchos son los grupos de investigación y empresas, de todo el mundo, que se han sumado a generar soluciones contra la crisis de este virus.

Utilizando métodos como la cristalografía de rayos X y la criomicroscopía electrónica, dos técnicas experimentales para estudiar y analizar los materiales, se han podido analizar las proteínas del coronavirus, llamadas SARS-CoV-2. Los átomos de estas proteínas se empujan e interaccionan constantemente entre sí.

Mediante una supercomputadora, se pueden llevar a cabo simulaciones digitales de las interacciones que se producen entre las proteínas, y así estudiar las diferentes formas que puede tomar la estructura de una proteína. De modo que, se podrían descubrir posibles medicamentos que se pudieran acoplar en las proteínas para anular su función, y así obtendríamos una nueva molécula para un posible fármaco. Por lo tanto, se podría diseñar una molécula contra el SARS-CoV-2, cuyo objetivo fuese una proteína de la superficie de dicho virus. Esta estrategia pretende evitar la adhesión y la invasión, por lo cual, se disminuiría el contagio por el virus en humanos. Este método, con simulaciones por ordenador, ya fue probado con éxito en una proteína del virus Ébola

Para analizar las fluctuaciones de los átomos de las proteínas hay que trabajar muy deprisa, por ejemplo, cada segundo se debe hacer más de un trillón de operaciones. Un ordenador convencional tardaría más de 100 años en realizar este tipo de operaciones, por lo que como mínimo, actualmente necesitamos un superordenador.

Summit, de IBM, la supercomputadora más potente del mundo hasta la fecha, tiene 200 petaFLOPS y es capaz de realizar 200.000 billones de operaciones por segundo. Esta supercomputadora ha ayudado a científicos del Oak Ridge National Laboratory y a la Universidad de Tennessee, a examinar 8.000 compuestos de la principal proteína del coronavirus, y en tan solo dos días han podido identificar y recomendar 77 moléculas para utilizar en posibles compuestos de fármacos, que posteriormente deberán ser probados experimentalmente y validados.

Supercomputación "made in Spain"

El superordenador MareNostrum 4, ubicado en Barcelona, es el más rápido de España y uno de los más rápidos de Europa, con 11,1 petaFLOPS de potencia. Este, también se ha puesto en marcha, a la caza de soluciones contra el coronavirus, aplicando la bioinformática para la búsqueda de tratamientos. Esta supercomputadora, operativa desde 2017, normalmente se utiliza entre otras muchas cosas, en simulaciones astrofísicas, investigación del genoma humano, el modelado geofísico, o el diseño de nuevos medicamentos.

Pertenece al Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), que lo está utilizando para sus propias investigaciones, pero también se ha puesto a disposición de grupos de investigación del COVID-19 externos a esta entidad, que necesiten este tipo de computación de altas prestaciones.

Consorcio de IBM

IBM con ayuda de la Oficina de Política de Ciencia y Tecnología de la Casa Blanca (White House Office of Science and Technology Policy), y del Departamento de Energía de U.S.A. (U.S. Department of Energy), ha creado un consorcio de voluntarios con varias empresas públicas y privadas, universidades y laboratorios, entre ellos Google, Microsoft, Amazon o la NASA. Todos ellos han puesto en marcha sus supercomputadoras: más de 38 sistemas con más de 437 petaFLOPS de potencia, 113.000 nodos, 4.200.000 núcleos de CPU, 43.000 GPU, y tienen 55 proyectos activos, para ayudar a los investigadores de todo el mundo a entender mejor el virus COVID-19, sus tratamientos y posibles curas.

El consorcio de supercomputadoras va creciendo cada día, y admite nuevas propuestas, por lo que próximamente se espera tener un mayor número de recursos. Estos sistemas informáticos de alto rendimiento, con una potencia sin precedentes, permiten a los investigadores hacer un gran número de cálculos en modelado molecular, bioinformática o epidemiología.

Nuestro futuro y la computación cuántica

¿Qué pasaría si en el futuro, en vez de utilizar supercomputadoras, utilizáramos computadoras cuánticas? Los ordenadores cuánticos, a diferencia de los ordenadores clásicos, utilizan qubits en lugar de bits. Los qubits pueden tomar los valores 0, 1 o valores intermedios, todos a la vez, lo que hace que puedan realizar muchas operaciones al mismo tiempo.

Las computadoras cuánticas, a partir de 50 qubits, funcionan de una forma mucho más rápida y eficiente que un ordenador clásico, incluso que una supercomputadora. Por este motivo, en el futuro, para encontrar medicamentos, posibles curas, o soluciones a la crisis provocada por una pandemia, la computación cuántica podría ser de gran ayuda.

Algunas empresas pioneras, como la compañía canadiense de computación cuántica D-Wave, anunció el pasado 31 de marzo, que dará acceso gratuito a su servicio en la nube de computación cuántica Leap 2, a las personas que esté trabajando en medicamentos para el COVID-19, o cualquier investigación, o equipo que esté trabajando en aspectos sobre cómo resolver esta crisis. La computadora cuántica D-Wave se encuentra situada en la ciudad de Burnaby (Columbia Británica, Canadá).

Leap 2 es un servicio en la nube diseñado para aplicaciones cuánticas híbridas, es decir, es un servicio clásico-cuántico, que proporciona acceso en tiempo real a la computadora cuántica D-Wave. Este entorno permite programación en lenguaje Python y está disponible desde el pasado 26 de febrero. Leap 2 es capaz de procesar problemas de hasta 10.000 variables en milisegundos, y devolver una solución al usuario en unos pocos segundos. Aunque la computadora D-Wave consta de 2.000 qubits superconductores, enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto (aproximadamente -273ºC), y según la compañía es la computadora cuántica más avanzada del mundo, no ha logrado aún demostrar la supremacía cuántica.

Las futuras computadoras cuánticas, esperamos que sean más potentes y eficientes que las supercomputadoras actuales, e incluso que las computadoras cuánticas de las que disponemos hoy en día. Nos permitirán analizar de forma casi instantánea, mediante simulaciones digitales, las proteínas de los virus, y dar rápidamente con moléculas de posibles fármacos. Está claro que la computación cuántica nos será de gran ayuda con este tipo de crisis o pandemias que puedan estar por llegar en el futuro, pero tendremos que seguir investigando, invirtiendo y desarrollando en nuevos dispositivos para conseguirlo.

Beatriz Varona, Quantum Computing Research & Rhinno Project de Techedge Group