Simulando fertilizante

Daniel Pérez Lozano · 29-06-2021 10:00 · Ganadores "Tu investigación en una imagen o 1000 palabras" - 1ª Edición

La orina, comúnmente conocida como pis, es un desecho de nuestros cuerpos que contiene urea, un fertilizante rico en nitrógeno utilizado en agricultura. A pesar de que algunas investigaciones han mostrado que el pis se puede usar como fertilizante para mejorar el crecimiento de los cultivos, la logística de recoger el pis de cada persona que vive en una ciudad lo hace poco práctico. Imagina tener un wáter separado de tu wáter corriente, conectado a un sistema de tuberías que discurrirían de forma paralela al sistema de tuberías ya existente, y que recogiese el pis de una ciudad entera en tanques enorme o lagos de pis. Supondría un gran reto.

Figura 1. Impresión artística de un sistema de tuberías paralelo para la recolección de orina.

Afortunadamente, existen maneras de producir grandes cantidades de fertilizante que nos ahorran tener que usar el pis. Entre 1909 y 1910, Fritz Haber, Robert Le Rossignol and Carl Bosch desarrollaron un proceso para sintetizar un fertilizante a escala industrial. Este proceso se conoce como el proceso de Haber – Bosh, y consiste en la transformación de hidrógeno y nitrógeno en amoniaco usando un reactor químico a alta presión y temperatura.

Figura 2. Reacción del amoniaco

Este desarrollo en combinación con otros desarrollos en la agricultura, han hecho posible alimentar a miles de millones de personas, ya que permitió multiplicar la producción agrícola a lo largo del mundo: la producción de trigo de Francia y China en 2000 se multiplicó por 5.8 y 3.8 respectivamente comparado con 1900. La producción de maíz en los Estados Unidos pasó de 1.6 toneladas por hectárea en 1900 a 8.5 toneladas por hectárea en 2000. Además, todo este incremento en la producción se consiguió sin aumentar la superficie de terreno cultivado en la misma proporción. Sin embargo, el proceso Haber–Bosh tiene un alto coste medioambiental ya que actualmente consume alrededor del 1% de la energía mundial.

Mientras tanto, la naturaleza puede fabricar amoniaco sin despeinarse. Existen bacterias en la tierra, las raíces de algunas plantas y algas que pueden transformar hidrógeno y nitrógeno en amoniaco a temperatura y presión ambiente gracias una encima llamada nitrogenasa, que a su vez es capaz de sintetizar amoniaco. A pesar de conocer la estructura y composición de la nitrogenasa nadie ha sido capaz de entender el mecanismo por el cual se produce amoniaco. Los experimentos no han sido capazas de revelar suficientes detalles sobre el proceso químico, y las simulaciones por ordenador necesarias están fuera del alcance de los ordenadores actuales. Entender cómo la naturaleza sintetiza el amoniaco tendría unas implicaciones enormes ya que, por ejemplo, ayudaría a reducir el consumo energético mundial alrededor del1%, una cantidad equivalente a toda la electricidad consumida en España en 2019.

Figura 3. Enzima nitrogenasa.

¿Existe alguna posibilidad de revelar los secretos de la nitrogenasa?

En 2017, un grupo de investigadores mostraron que es posible simular cómo la nitrogenasa sintetiza el amoniaco en un ordenador cuántico.

Un ordenador cuántico es un dispositivo que procesa información, al igual que cualquier ordenador estándar, pero lo hace usando las reglas de la mecánica cuántica. Esto significa que puede aprovecharse de fenómenos cuánticos como la superposición cuántica, el entrelazamiento o la interferencia cuántica para computar de manera más eficiente. Por ejemplo, cálculos que tardarían miles de años en u ordenado convencional pueden ser realizados en un ordenador cuántico en cuestión de horas o días.

Un ordenador convencional usa bits clásicos, ceros y unos, para procesar información. Por ejemplo, cuando usas un filtro de Instagram, lo que tu teléfono realmente hace es procesar la información de la imagen de tal manera que la modifica de acuerdo con las instrucciones del filtro. Los ceros y unos que codifican cada píxel se suman, multiplica o intercambian de posición siguiendo el algoritmo del filtro.

En el caso de un ordenador cuántico, los bits clásicos se convierten en bit cuánticos o qubits. Además de usar los ceros y unos, un ordenador cuántico puede usar una superposición de estos dos valores para procesar información. Esto significa que un bit cuántico puede tomar de manera simultánea los valores cero y uno, de la misma manera que el gato está vivo y muerto simultáneamente en el experimento de la paradoja de Schrödinger. Gracias a los fenómenos cuánticos, podemos hacer más cosas a parte de sumar multiplicar y mezclar los ceros y unos que representan la imagen de nuestro selfi. Si tuviésemos un filtro de Instagram cuántico seríamos capaces de modificar todos los píxeles de nuestro selfi de manera simultánea, al contrario que pasa con los filtros normales de Instagram, en los que los píxeles se modifican uno a uno o de a pocos.

Figure 4 Representación de bits clásicos (izquierda) y un bit cuántico (derecha).

Simular reacciones químicas como la síntesis del amoniaco es una aplicación natural para los ordenadores cuánticos, ya que la química a su nivel más fundamental se rige por las leyes de la mecánica cuántica. Sin embargo, las posibilidades no acaban aquí. La computación cuántica tiene aplicaciones en finanzas, seguridad informática o ciencia de los materiales. Algunos algoritmos cuánticos ofrecen una ventaja computacional sobre sus alternativas clásicas, lo que hace que problemas intratables debido al enorme tiempo de computación requerido usando ordenadores convencionales puedan ser accesible un futuro próximo.

Hoy en día existen ordenadores cuánticos, pero todavía no son los suficientemente potentes para resolver problemas que se puedan considerar útiles. Compañías como IBM, Google o IONQ disponen de pequeños ordenadores cuánticos donde se pueden probar prototipos de algoritmos que ayudan a entender los requisitos y los retos para escalar estos sistemas a tamaños mayores.

Figura 5 ordenador cuántico de IBM, Foto tomada en 2018 ASCE (Créditos: Graham Carlow).

Como investigador en computación veo la situación actual con mucho optimismo y emoción. Junto con mis compañeros, estamos buscando soluciones a los grandes retos de la computación cuántica. Nuestra investigación se centra en la fabricación de procesadores cuánticos y sobre cómo llevar a cabo esta fabricación usando las herramientas que se usan en la fabricación de ordenadores convencionales. Además, también investigamos sobre nuevos materiales que puedan implementarse para mejorar la calidad de los ordenadores cuánticos actuales.

Investigar sobre computación cuántica puede parecer un trabajo de ingeniería más que de ciencia. Sin embargo, la investigación en computación cuántica trata de desarrollar una herramienta que permita a miles de científicos responder a sus preguntas, que como en el caso del amoniaco y la nitrogenasa, nos permitan desarrollar un futuro más sostenible.

Sobre el autor: 

Daniel Pérez Lozano nació en el madrileño barrio de Aluche en 1990. Tras licenciarse en ciencias físicas en la universidad Complutense de Madrid se mudó a Lovaina, Bélgica donde obtuvo su doctorado sobre materiales superconductores en la universidad católica de Lovaina. Tras esto, se mudo a Goteborg, Suecia, para comenzar un postdoctorado en la universidad de Chalmers enmarcado en el proyecto OpenSuperQ: A Quantum Computer for Europe. Tras año y medio de postdoctorado volvió a hacer las maletas para volver a Bélgica donde realiza un segundo postdoctorado sobre computación cuántica en IMEC, un centro de I + D para tecnologías nano y digitales.

Comentario(s)

Мисс Марвел (сериал). Смотреть онлайн <a href="http://bit.ly/ms-marvel-1-8-seriya">Сериал Мисс Марвел смотреть онлайн бесплатно все серии</a> Сериал Мисс Марвел 1 сезон смотреть онлайн все серии подряд в хорошем качестве hd 1080

ms-marveldvfyf , 26 May 2022

Мисс Марвел (мини–сериал 2022). Ms. Marvel. <a href="http://bit.ly/ms-marvel-1-8-seriya">"Мисс Марвел" [2022 - </a> смотреть онлайн сериал «Мисс Марвел»

ms-marveljefly , 26 May 2022

<a href="https://bit.ly/FILMFILMFILM">фильм</a> посвящен жизни богатых и известных тому

ms-marvelivdfe , 29 May 2022

На таком темпе выпуска <a href="https://bit.ly/FILMFILMFILM">фильм</a>ов (один <a href="https://bit.ly/FILMFILMFILM">фильм</a> в год).

ms-marvelkzdiq , 29 May 2022

Моё кино смотреть онлайн. <a href="http://bit.ly/2EE8o6P">Дети моря смотреть онлайн</a> Смотреть фильмы онлайн бесплатно в хорошем качестве.

70611883 77866983 52017601243 3852248453232111659

5622802 63333769 27435313127 3140919175880105020

61379041 29884521 643866701128 42333512894110691245

ms-marvelmkqzr , 03 Jun 2022

Видео: Дорама, Триллер, Южная Корея. <a href="http://bit.ly/chelovek-paukvdali-ot-doma-watch-online">Человек-паук Вдали от дома смотреть онлайн</a> Последние выпуски передач и новые серии любимых сериалов!

25081235 31968451 123834811383 1897187122717047858

42966289 70759991 909962091225 45089491854038466921

20834515 94641219 68358505212 83189540434679994292

ms-marvelmqsiu , 04 Jun 2022

https://bit.ly/Shkala-tonov

78656668 39787880 24856969133 67124344787150337658

11286677 4402074 38306127630 261819631261679472

77284185 1444526 913954532808 3464671656031013606

lydgndlbwisj , 13 Jun 2022

http://tinyurl.com/273lplmr

lgctuwlvfvbd , 16 Jun 2022

http://tinyurl.com/2bdwj3mq

leizwslbkelj , 16 Jun 2022

http://tinyurl.com/22nbo4ux

lrbdlyloidac , 17 Jun 2022

http://tinyurl.com/28su9vb9

lzjuohlelbix , 17 Jun 2022

http://tinyurl.com/22zosqaz

lxbajslczuiz , 17 Jun 2022

http://tinyurl.com/25czfmtp

lszmdflulxzl , 18 Jun 2022

http://tinyurl.com/28h7dygx

lqyiaslelwoz , 18 Jun 2022

http://images.google.co.zw/url?q=http://netstate.ru/

lyqozelhnfbs , 18 Jun 2022

gay jerk off chat
gay bi and male text chat
<a href="https://free-gay-sex-chat.com/">chat gay las vegas </a>

DeeynKlmr , 15 Sep 2022

random gay chat with a stranger
chat gay las vegas
<a href="https://free-gay-sex-chat.com/">best gay chat site 2017 </a>

DeeynKlmr , 15 Sep 2022

live gay chat lines
<a href=https://chatcongays.com>gay daddies free chat</a>
free xxx gay chat rooms

GennieKlmr , 16 Sep 2022

online essay helper
<a href=https://au-bestessays.org>help with writing college application essay</a>
mba essay editing service

MarrisKlmr , 20 Sep 2022

homework essay help
<a href=https://bestcampusessays.com>custom essay writing services</a>
essays to buy

DorolisaKlmr , 21 Sep 2022

write my essay students
<a href=https://besteasyessays.org>essay introduction help</a>
custom essay org

MartyKlmr , 22 Sep 2022

please write my essay
<a href=https://bestessayreviews.net>essay writing service legit</a>
buy essay papers cheap

MerolaKlmr , 22 Sep 2022

i need help with my essay
<a href=https://bestessaysden.com>write my essay south park</a>
essay writers net

AshlenKlmr , 23 Sep 2022

best custom essay sites
<a href=https://bestsessays.org>custom essays review</a>
discount essay writing service

CharitaKlmr , 25 Sep 2022

custom essays service
<a href=https://buyacademicessay.com>best writing paper</a>
best mba essay editing service

NaniceKlmr , 26 Sep 2022

essay services reviews
<a href=https://buy-eessay-online.com>top ten essay writing services</a>
law school essay review service

ChelsaeKlmr , 26 Sep 2022

cheap custom essay papers
<a href=https://buytopessays.com>cheap essay help online</a>
mba application essay writing service

PennyKlmr , 27 Sep 2022

write my essay org
<a href=https://cheapessaywritingservice1.com>good essay writers</a>
compare and contrast essay help

TammieKlmr , 28 Sep 2022

essays writing services
<a href=https://customessaywwriting.com>college essay editing service</a>
buy essay papers online

CharoKlmr , 01 Oct 2022

need help with essay writing
<a href=https://customs-essays-writing.org>help writing essays</a>
custom essay writing reviews

DronaKlmr , 01 Oct 2022

cheap essay services
<a href=https://firstessayservice.net>my essay writer</a>
college application essay writing service

TwylaKlmr , 02 Oct 2022

buy an essay cheap
<a href=https://geniusessaywriters.net>help writing essays</a>
write my history essay for me

LeilahKlmr , 03 Oct 2022

buy essay paper
<a href=https://howtobuyanessay.com>custom essays writing service</a>
essay paper writing services

CthrineKlmr , 04 Oct 2022

editing essay services
<a href=https://lawessayhelpinlondon.com>academic essay service</a>
good essay writing service

GinnieKlmr , 09 Oct 2022

do essay writing services work
<a href=https://bestcampusessays.com>buying essays online</a>
online essay writers

DorolisaKlmr , 19 Nov 2022

english literature essay help
<a href=https://besteasyessays.org>help writing a college essay</a>
best online essay writing services

MartyKlmr , 20 Nov 2022

custom essay writing services
<a href=https://bestessayreviews.net>great essay writers</a>
writing essay help

MerolaKlmr , 22 Nov 2022

cambridge essay service
<a href=https://bestessaysden.com>need help in writing an essay</a>
essay writing help for high school students

AshlenKlmr , 23 Nov 2022

essay proofreading services
<a href=https://bestsessays.org>essay writing service online</a>
help me write a compare and contrast essay

CharitaKlmr , 24 Nov 2022

best rated essay writing service
<a href=https://buyacademicessay.com>buy college essays online</a>
essay paper writing service

NaniceKlmr , 26 Nov 2022

essay writer program
<a href=https://buy-eessay-online.com>essay writing service scams</a>
buy cheap essays online

ChelsaeKlmr , 27 Nov 2022

who can write my essay
<a href=https://buytopessays.com>buy essay cheap</a>
essay writing service review

PennyKlmr , 29 Nov 2022

Deja un comentario


Patrocinadores colaboradores

Este blog cuenta con el apoyo de la delegación de cultura de la Embajada de España en Bélgica y de la sección de Bruselas del Instituto Cervantes amparado por la iniciativa conjunta de divulgación científica #SPreadScience.

Instituto Cervantes Arts and Culture section of the Spanish Embassy

Descargo de responsabilidad: El contenido de cada una de las entradas es responsabilidad de su autor(es) correspondiente(s). De esta manera, los puntos de vista expresados en el blog son aquellos de su autor(es), que no tienen por qué reflejar necesariamente los puntos de vista, pensamientos u opiniones de los miembros o representantes de CEBE.

¿Quieres hacer una pregunta?

¿Tienes una pregunta que te quita el sueño y que querrías que un científico te respondiera? ¿O hay un tema del que te gustaría saber más? ¡Mándanosl@!

Categorías

Crónicas científicas (19 Blogs)
CEBE responde (13 Blogs)
Igualdad de género en ciencia (7 Blogs)
Ganadores "Tu investigación en una imagen o 1000 palabras" - 1ª Edición (7 Blogs)
Webinarios (5 Blogs)
Evento online CEBE (1 Blogs)