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Crean un algoritmo que replica los mecanismos cuánticos de la naturaleza

Es capaz de salir de un laberinto (red compleja) sin necesidad de explorar los caminos posibles


Investigadores portugueses han replicado en un algoritmo los mecanismos cuánticos que usa la naturaleza para conseguir la fotosíntesis o la percepción olfativa. El algoritmo aprovecha al máximo el cálculo cuántico para de salir de un laberinto (red compleja) sin necesidad de explorar los caminos posibles. Una proeza que impulsará los ordenadores cuánticos, las células solares, los sistemas de detección de olores o el estudio de las redes sociales.





Investigadores portugueses han comprobado que algunos efectos cuánticos pueden explicar procesos biomoleculares de la naturaleza, como la fotosíntesis o los mecanismos olfatorios, que intrigan a los científicos porque no se pueden comprender bien con las teorías convencionales.

La fotosíntesis o función clorofílica consiste en la conversión de la materia inorgánica en orgánica gracias a la energía que aporta la luz. La fotosíntesis de las plantas sorprende porque permite que la energía que circula por una planta explore simultáneamente diferentes vías para descubrir cuál es la más apropiada para llegar a su destino y cumplir con su función.

Ya se han dado algunas explicaciones a esta sorprendente habilidad natural, atribuida a la coherencia cuántica: las resonancias vibratorias electrónicas subyacentes a la fotosíntesis desempeñan un papel funcional en la mejora de la transferencia de energía. La investigación de los científicos portugueses avala este razonamiento.

El sistema olfativo es el sistema sensorial utilizado para detectar los olores: convierte las señales químicas en percepción e impulsos eléctricos que llegan al cerebro.  Su funcionamiento es bien conocido desde hace tiempo y se basa en células nerviosas receptoras de estímulos químicos provocados por los vapores.

La intriga surge cuando observamos que los vapores estimulan los centros olfativos de la corteza cerebral, que es donde se interpreta la sensación de olor. No sabemos bien cómo consiguen las moléculas volátiles estimular un centro olfativo en vez de otro. De esa elección depende, sin embargo, que la sensación de olor sea la correcta: sólo hay siete tipos de neuronas olfatorias, cada una de las cuales  capaz de detectar un único tipo de moléculas volátiles.

Cuestión de vibraciones

Hasta hace poco se creía que la capa electrónica de las moléculas volátiles era la que determinaba qué receptores olfativos de la corteza cerebral se estimulan, pero recientemente se ha descubierto que esa explicación es insuficiente.

Para que se produzca una sensación de olor correcta es necesario que haya además una transferencia de electrones entre la molécula y el receptor olfatorio cerebral. Esta transferencia no se produce por efectos físicos clásicos, sino por el así llamado efecto túnel, un fenómeno cuántico que permite a las moléculas llegar hasta el receptor aunque no tengan capacidad física para conseguirlo.

El efecto túnel lo consiguen las moléculas por la vibración de sus núcleos: si vibran en una frecuencia parecida a la del receptor olfativo de la corteza cerebral, el efecto cuántico del túnel permite la comunicación entre la información que traslada la molécula y la corteza cerebral. Así es como interpretamos correctamente la información sensorial e identificamos el olor de una manzana y no la confundimos con el olor de una pera.

Esta explicación no es reciente, ya que fue publicada por primera vez en  1996, pero la nueva investigación de los científicos portugueses refuerza su vigencia.

La aportación portuguesa

La aportación de los científicos portugueses se explica en un comunicado del  Physics of Information and Quantum Technologies Group, perteneciente al Instituto de Telecomunicaciones de Portugal.

Su trabajo se basa en el estudio de las redes complejas, que pueden aplicarse a los mecanismos biológicos implicados, tanto en la fotosíntesis como en los mecanismos olfatorios, así como a otras redes, además de las naturales y biológicas.

Ya en 2015 este equipo de investigadores había publicado un trabajo en el que describían un algoritmo denominado  Quantum Spatial Search capaz de penetrar en el mundo de las redes complejas y de determinar su funcionamiento. Este algoritmo es la base de su nuevo resultado, publicado ahora en Physical Review Letters.

En este nuevo estudio, el equipo portugués explica que el algoritmo de búsqueda cuántica es capaz, no sólo de identificar el papel que desempeña cada punto en una red compleja (como habían constatado en el estudio anterior), sino que también puede encontrar una frecuencia, una vibración, que le permite generar nuevas vías para encontrar el destino pretendido.

Es como si estuviéramos perdidos en un laberinto o en un bosque, buscando una salida. Pero, en vez de intentar múltiples recorridos diferentes hasta dar con el camino correcto, tenemos la capacidad cuántica de cambiar el laberinto, de generar caminos diferentes, para de esta forma encontrar mucho más rápidamente la salida.

Algoritmo sorprendente

En este nuevo estudio, los investigadores cambiaron continuamente la disposición de los nodos de la red, así como el número de conexiones, sin cambiar el número de nodos. En todos los casos, el algoritmo de búsqueda, aprovechando al máximo el cálculo cuántico, encontró la forma de generar nuevas disposiciones de red para llegar antes al nodo que quería encontrar. Ocurrió incluso cuando aislaron a unos nodos del resto de la red: el algoritmo creó nuevos caminos más rápidamente para compensar esa pérdida.

Lo que señalan los investigadores portugueses en este nuevo trabajo es que el algoritmo creado por ellos puede explicar la forma en que proceden los procesos biológicos relacionados con la fotosíntesis y el olfato, arrojando nueva luz a las posibles explicaciones cuánticas de estas proezas naturales.

Tal como explicamos en otro artículo, el proyecto europeo PAPETS aspira a imitar estos procesos de manera artificial, para aplicarlos a la mejora de dispositivos como las celdas solares o los sistemas de detección de olores.

Añaden los científicos portugueses que su aportación puede aplicarse también a la mayoría de las redes reales, ya sean sociales, naturales o tecnológicas, como Facebook o Internet, y que sus resultados son provechosos asimismo para la comunicación cuántica en red.

Por último, sus descubrimientos abren el camino para estudiar y comprender mejor las tecnologías de la información cuántica, la comunicación, el cálculo y la detección en redes complejas realistas, concluyen.

Referencia

Optimal Quantum Spatial Search on Random Temporal Networks. Shantanav Chakraborty, Leonardo Novo, Serena Di Giorgio, and Yasser Omar. Phys. Rev. Lett. 119, 220503. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.220503


Lunes, 12 de Febrero 2018
Redacción T21
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