Holandan Erasmus ikasle nintzenean (duela ez horrenbeste pentsatu
nahi dut) bertan doktoradutza egiten ari ziren euskaldun batzuk ezagutu
nituen. Hiruak kimikariak: biokimika, kimika organikoa eta toxikologia
departamenduan lan egiten zutelarik. Hauen artean, bazegoen lagun bat, Iban Ubarretxena (orain New Yorkeko Mount Sinai-n lan egiten du) adarra
jotzen zidala kimikari kuantikook beti molekula txiki bitxiekin lan
egiten genuela. Zera esaten zidan:
- Txoni, zertan zabiltzate orain, O2-5 aztertzen?
Hau izan da kimika kuantikoari historikoki kimikaren beste alor askotik egin diguten komentarioa. Arrazoi historikoak daude horretarako. Kimika kuantikoak molekulen egitura, propietateak eta erreaktibitatea azaldu eta aurresan dezake, baina horretarako ekuazio konplikatuak erresolbatu behar dira. Blog honetan, Oinarriak atalean, joango gara hauek nolakoak diren azaltzen. Gera gaitezen momentuz ideia honekin, alegia, ekuazio konplikatuak ebatzi behar direla.
Kimika Kuantikoa sortu zenean, 1927. urtean, pentsa dezakezue ekuazio hauek nola ebatzi behar ziren. Eskuz. Teoria kuantikoa molekuletan aplikatzerakoan, sortu zen kimika kuantikoa. Erresolbatu beharreko ekuazioak, gainera, ezin ziren ebatzi, eta aurreko sarrera batean azaldu nuen bezala, metodo hurbilduak erabili behar ziren. Metodo hurbildu hauek erresolbatu beharreko problema sinplifikatzen zuten, eta soluzio matematiko hurbilduak lortzen ziren. Baina, esan bezala, dena eskuz egiten zen. Hori bai, paperean ala arbela batean (beheko irudia) eta ez pertsona baten bizkarrean (goiko irudikoa tatuajeak dira). Erresolbatu beharreko ekuazio hauek, nahiz eta hurbilduak izan, molekularen tamainarekin konplikatu egiten ziren. Pentsa, molekula zenbat eta handiagoa izan, nukleo eta elektroi gehiago ditu, eta honek arazoa konplikatu egiten du. Hortaz, kimikari kuantikoak, ekuazioak beraiek askatu behar zituztenez, molekula txikietara mugatzen ziren, ala, molekula handiagoak aztertzerakoan, metodoak asko sinplifikatzen zituzten. Bestalde, metodo berriak garatzeko orduan, molekula ala sistema imajinarioak erabiltzen zituzten, gero benetako molekuletan aplikatzeko. Hortaz, beste kimikari gehienak kimikari kuantikoak ez zituzten kimikari kontsideratzen, beraientzat fisikari ala matematikariak ziren.
Pentsa dezakezue, bada, zergatik nire lagunak horrekin adarra jotzen zidan, ez? O2-5 molekula ez da esistitzen. Berak, oraindik, oso hedatua zegoen estereotipoa zuen buruan, nahiz eta bakarrik adarra jotzeko erabili. Baina, ni Herbereetan nengoenean, oraindik kuantika "eskuz" egiten al genuen? Erantzuna ez da. Zergatik? Zer gertatu zen kimika kuantikoa sortu zen garaia eta ni Herbereetan egon nintzen garaiaren artean? Gauza sinple bat. Ordenadoreak sortu eta garatu ziren.
Bai, ordenadoreak. 1950-60 hamarkadetan garatuz joan ziren. Irudian, Harwell izeneko ordenadorea (1949. urtean eginda). Badakizue, ordenadoreak kalkuladora potente baten moduan funtzionatzen dutela. Hortaz, kimikari kuantikoek garatutako ekuazio horiek programatu daitezke programa informatikoak sortuz, eta programa hauek ejekutatuz, ekuazioen emaitzak lortu. Hasierako ordenadoreak ez ziren oso potenteak, eta denbora tardatzen zuten ekuazioen soluzioa aurkitzen, nahiz eta modelo oso sinplifikatuak izan. Hala ere, ordenadoreak potenteago bihurtzen joan ziren urteen poderioz, eta modelo sinplifikatu hauek gero eta azkarrago egiten zituzten. Noski, pertsonek baino dexente azkarrago. Honek posibilitate berri asko ireki zituen kimika kuantikoaren munduan ere bai.
Orain kimikari kuantikoen betebeharra ez zen modelo ala metodo kuantikoak garatu eta askatzea, baizik eta garatu eta programatzea. Eta noski, egindakoa ulertu eta interpretatzea. Behin metodoa programatuta zegoela, ordenadoreak problema ebazten zuen. Ordenadoreen potentzia handitzeari esker, metodo sinplifikatu horiek konplikatzen hasi ziren kimikari kuantikoak. Beste modu batean esanda, hurbilketa gutxiago egin behar ziren. Problema konplikatuegia zen pertsona batek askatzeko, baina ordenadoreak askatzen zuenez... Hau dela eta, 50-60 hamarkadetatik aurrera, metodo sofistikatuagoen boom-a gertatu zen. Baina, oraindik, garai hartan, kimikari kuantikoak bere simulazioetan erabiltzen zituzten molekulak txikiak ziren, konparazioz. Molekula handiak aztertzeko, teoria klasikoa erabili behar zen. Baina badakigu teoria klasikoak ezin duela partikula elementalen portaera ongi azaldu... Hortaz, dilema bat zegoen. Molekula errealak (handiak) aztertzeko, metodo hurbilegiak erabili behar ziren, eta hortaz, emaitzak ere askotan emaitza esperimentaletatik urrun zeuden. Eta alderantziz, emaitza esperimentalak ongi azaltzen ahal ziren metodo kuantiko sofistikatuak erabiliz, baina hauek bakarrik molekula txikietan erabiltzen ahal ziren. Nola erresolbatu zen hau?
Garbi dago egun batetik bestera ez zela erresolbatu. Eta, zintzoa izateko, esan beharko litzateke ez dela guztiz erresolbatu. Esan dezakegu, ordea, bidean gaudela. Beste modu batean esanda, gaur egungo konputazio ahalmena asko handitu denez, gero eta molekula handiagoak azter ditzakegu simulazio kuantikoen bidez (ehundaka atomo arazorik gabe). Nire laguna, Iban, biokimikoa, seguraski jada ez lidake adarra joko gaur egun, proteinak uretan simulatzeko gai garelako dagoeneko, milaka atomoz osatutako sistema errealak simulatuz. Hori bai, sistema osoa ez da kuantikoki tratatzen. Baina metodo kuantikoei buruz, beste sarreratxo bat eginen dut aurrerago. Metodo kuantikoen garapenagatik, Walter Kohn-ek (goian irudian) eta John A. Pople-k (irudian behean) Kimikako Nobel Saria altxatu zuten 1998. urtean.
Simulazio potente hauek ez dira bakarrik gertatu ordenadoreak potenteago ala azkarrago bihurtu direlako. Konputazioan garatutako teknika berri batek ere garrantzi handia izan du: paralelizazioak. Hasierako ordenadoreetan, ekuazioak seriean ebazten ziren, bata bestearen atzetik. Paralelizazioan, ordenadore batek (master) lana beste ordenadore askotan banatzen du. Horrela, lana paraleloan egiten da, eta aldi berean gauza desberdinak joaten dira egiten. Programa informatikoen efizientzia oso garrantzitsua da paralelizazioari etekin handia ateratzeko (adibide bezala ikusi hemen). Honek izugarri handitu du konputazio kuantikoaren ahalmena. Hau dela eta, ordenadore askoz osatutako superordenadoreak garatuz joan dira. Gure kasuan, Euskal Herrian, horrelako Superordenadore bat daukagu: Arina (ikusi beheko irudia). Superordenadore hau Euskal Herriko Unibertsitateko (UPV/EHU) Ikerketari Aplikatutako Informatika Zerbitzu Nagusiak kudeatzen du. Bertan, 1400 prozesadore baino gehiago daude, ikerlari zientifiko, ingeniari, ala edozein ikerketa talde zein enpresek erabiltzeko zai.
Arinan (ikusi 2011 urteari dagokion informea), 16 ikerketa talde / enpresak baino gehiagok erabiltzen dute zerbitzua, Unibertsitatekoak eta Unibertsitatetik kanpokoak. Esan beharra dago, Superkonputazioaren beharra ez dela bakarrik kimika ala fisika kuantikoaren behar bat, baizik eta oso esparru zabaleko taldeek erabiltzen dutela, Kimika, Fisika, Informatika, Matematika, Farmazia, Medikuntza, etab.
Baina ez bakarrik arlo zientifikoetan lanean dauden taldeek erabiltzen dute. Meteorologia zerbitzuek ere bere simulazioak egiteko superordenadoreak erabiltzen dituzte (ikusi Weather Research & Forecasting-i buruzko informazioa hemen), eta enpresa askok exito handiak izan dituzte superkonputazioari esker. Honen adibideak hemen.
Laburbilduz, adibide hauek erakusten dute Kimika Kuantikoaren garapenean superkonputazioak izan duen eragina, baina ez bakarrik kuantikan, baizik eta esparru akademiko eta enpresario askotan duen garrantzia. Arina da Euskal Herrian zerbitzu zabala eskeintzen duen superordenadorea, baina ez da dagoen superkonputadore bakarra, ikerketa zentru batzuk, Donostia International Physics Center-ek bezala, bere ikerlarientzat beste bat dauka. Honek bezala, beste askok. Gai honi buruz asko luza ninteke, eta barkatuko didate informatikariek datu teknikoak ez baditut ongi aipatu. Kimikaria naiz eta ez ditut ongi kontrolatzen. Beste batean, gai honen inguruko esparru konkretuak gehiago landuko ditut.
Descargo de responsabilidad: He utilizado las imágenes sin ánimo de lucro, con un objetivo de investigación y estudio, en el marco del principio de uso razonable - sin embargo, estoy dispuesto a retirarlas en caso de cualquier infracción de las leyes de copyright.Disclaimer: I have used the images in a non for profit, scholarly interest, under the fair use principle - however, I am willing to remove them if there is any infringement of copyright laws.
Bai, ordenadoreak. 1950-60 hamarkadetan garatuz joan ziren. Irudian, Harwell izeneko ordenadorea (1949. urtean eginda). Badakizue, ordenadoreak kalkuladora potente baten moduan funtzionatzen dutela. Hortaz, kimikari kuantikoek garatutako ekuazio horiek programatu daitezke programa informatikoak sortuz, eta programa hauek ejekutatuz, ekuazioen emaitzak lortu. Hasierako ordenadoreak ez ziren oso potenteak, eta denbora tardatzen zuten ekuazioen soluzioa aurkitzen, nahiz eta modelo oso sinplifikatuak izan. Hala ere, ordenadoreak potenteago bihurtzen joan ziren urteen poderioz, eta modelo sinplifikatu hauek gero eta azkarrago egiten zituzten. Noski, pertsonek baino dexente azkarrago. Honek posibilitate berri asko ireki zituen kimika kuantikoaren munduan ere bai.Orain kimikari kuantikoen betebeharra ez zen modelo ala metodo kuantikoak garatu eta askatzea, baizik eta garatu eta programatzea. Eta noski, egindakoa ulertu eta interpretatzea. Behin metodoa programatuta zegoela, ordenadoreak problema ebazten zuen. Ordenadoreen potentzia handitzeari esker, metodo sinplifikatu horiek konplikatzen hasi ziren kimikari kuantikoak. Beste modu batean esanda, hurbilketa gutxiago egin behar ziren. Problema konplikatuegia zen pertsona batek askatzeko, baina ordenadoreak askatzen zuenez... Hau dela eta, 50-60 hamarkadetatik aurrera, metodo sofistikatuagoen boom-a gertatu zen. Baina, oraindik, garai hartan, kimikari kuantikoak bere simulazioetan erabiltzen zituzten molekulak txikiak ziren, konparazioz. Molekula handiak aztertzeko, teoria klasikoa erabili behar zen. Baina badakigu teoria klasikoak ezin duela partikula elementalen portaera ongi azaldu... Hortaz, dilema bat zegoen. Molekula errealak (handiak) aztertzeko, metodo hurbilegiak erabili behar ziren, eta hortaz, emaitzak ere askotan emaitza esperimentaletatik urrun zeuden. Eta alderantziz, emaitza esperimentalak ongi azaltzen ahal ziren metodo kuantiko sofistikatuak erabiliz, baina hauek bakarrik molekula txikietan erabiltzen ahal ziren. Nola erresolbatu zen hau?
Garbi dago egun batetik bestera ez zela erresolbatu. Eta, zintzoa izateko, esan beharko litzateke ez dela guztiz erresolbatu. Esan dezakegu, ordea, bidean gaudela. Beste modu batean esanda, gaur egungo konputazio ahalmena asko handitu denez, gero eta molekula handiagoak azter ditzakegu simulazio kuantikoen bidez (ehundaka atomo arazorik gabe). Nire laguna, Iban, biokimikoa, seguraski jada ez lidake adarra joko gaur egun, proteinak uretan simulatzeko gai garelako dagoeneko, milaka atomoz osatutako sistema errealak simulatuz. Hori bai, sistema osoa ez da kuantikoki tratatzen. Baina metodo kuantikoei buruz, beste sarreratxo bat eginen dut aurrerago. Metodo kuantikoen garapenagatik, Walter Kohn-ek (goian irudian) eta John A. Pople-k (irudian behean) Kimikako Nobel Saria altxatu zuten 1998. urtean.Simulazio potente hauek ez dira bakarrik gertatu ordenadoreak potenteago ala azkarrago bihurtu direlako. Konputazioan garatutako teknika berri batek ere garrantzi handia izan du: paralelizazioak. Hasierako ordenadoreetan, ekuazioak seriean ebazten ziren, bata bestearen atzetik. Paralelizazioan, ordenadore batek (master) lana beste ordenadore askotan banatzen du. Horrela, lana paraleloan egiten da, eta aldi berean gauza desberdinak joaten dira egiten. Programa informatikoen efizientzia oso garrantzitsua da paralelizazioari etekin handia ateratzeko (adibide bezala ikusi hemen). Honek izugarri handitu du konputazio kuantikoaren ahalmena. Hau dela eta, ordenadore askoz osatutako superordenadoreak garatuz joan dira. Gure kasuan, Euskal Herrian, horrelako Superordenadore bat daukagu: Arina (ikusi beheko irudia). Superordenadore hau Euskal Herriko Unibertsitateko (UPV/EHU) Ikerketari Aplikatutako Informatika Zerbitzu Nagusiak kudeatzen du. Bertan, 1400 prozesadore baino gehiago daude, ikerlari zientifiko, ingeniari, ala edozein ikerketa talde zein enpresek erabiltzeko zai.
Arinan (ikusi 2011 urteari dagokion informea), 16 ikerketa talde / enpresak baino gehiagok erabiltzen dute zerbitzua, Unibertsitatekoak eta Unibertsitatetik kanpokoak. Esan beharra dago, Superkonputazioaren beharra ez dela bakarrik kimika ala fisika kuantikoaren behar bat, baizik eta oso esparru zabaleko taldeek erabiltzen dutela, Kimika, Fisika, Informatika, Matematika, Farmazia, Medikuntza, etab.
Baina ez bakarrik arlo zientifikoetan lanean dauden taldeek erabiltzen dute. Meteorologia zerbitzuek ere bere simulazioak egiteko superordenadoreak erabiltzen dituzte (ikusi Weather Research & Forecasting-i buruzko informazioa hemen), eta enpresa askok exito handiak izan dituzte superkonputazioari esker. Honen adibideak hemen.
Laburbilduz, adibide hauek erakusten dute Kimika Kuantikoaren garapenean superkonputazioak izan duen eragina, baina ez bakarrik kuantikan, baizik eta esparru akademiko eta enpresario askotan duen garrantzia. Arina da Euskal Herrian zerbitzu zabala eskeintzen duen superordenadorea, baina ez da dagoen superkonputadore bakarra, ikerketa zentru batzuk, Donostia International Physics Center-ek bezala, bere ikerlarientzat beste bat dauka. Honek bezala, beste askok. Gai honi buruz asko luza ninteke, eta barkatuko didate informatikariek datu teknikoak ez baditut ongi aipatu. Kimikaria naiz eta ez ditut ongi kontrolatzen. Beste batean, gai honen inguruko esparru konkretuak gehiago landuko ditut.
Descargo de responsabilidad: He utilizado las imágenes sin ánimo de lucro, con un objetivo de investigación y estudio, en el marco del principio de uso razonable - sin embargo, estoy dispuesto a retirarlas en caso de cualquier infracción de las leyes de copyright.Disclaimer: I have used the images in a non for profit, scholarly interest, under the fair use principle - however, I am willing to remove them if there is any infringement of copyright laws.
iruzkinik ez:
Argitaratu iruzkina