Categoría: 2020

TECNOLOGÍAS CUÁNTICAS 

Las tecnologías cuánticas nos conducen hacia el control total de la molécula

Mundo cuántico: el algoritmo de la incertidumbre

Mónica Daluz
27/10/2020

Desde que a finales de los años 20 la teoría de la mecánica cuántica desplazara el marco teórico clásico de la física, demostrando que las leyes que rigen el mundo microscópico son distintas a las que gobiernan nuestra cotidianeidad, los investigadores han constatado en las partículas subatómicas comportamientos extraños y contrarios a la lógica, como que la materia se comporta como si estuviera en dos estados al mismo tiempo –superposición cuántica–, o que lo que le ocurre a una partícula afecta a su par, incluso separándolas varios kilómetros –entrelazamiento cuántico–, entre otros. Hoy todo ese conocimiento adquirido durante décadas ha entrado en una nueva fase, en la que se pretende aprovechar esos comportamientos de la materia que no podemos lograr a escalas macro, para aportar soluciones a problemas de nuestro mundo que no sería posible resolver de otro modo. Y pisando fuerte, la biología cuántica, que estudia estos fenómenos físicos en los organismos vivos. Los investigadores vaticinan un salto tecnológico que cambiará nuestras vidas, y aseguran que lo que tenemos entre manos no es un simple cambio incremental sino un cambio rotundamente disruptivo; pero esta será una revolución silenciosa, por lo menos durante los próximos 10 años. Es cuestión de tiempo que se logre el control total de la estructura de la molécula, lo que supone prácticamente el control de cualquier enfermedad a través del diseño y la creación de nuevos fármacos y tratamientos, a los que se tardaría miles de años en llegar con la tecnología actual. La computación cuántica y sus astronómicos e instantáneos cálculos realizados por bits cuánticos, cúbits, permitirán optimizar cualquier proceso; podrían, por ejemplo, ayudarnos al aprovechamiento de la energía solar hasta tal punto que fueran innecesarias otras fuentes de energía, hoy es tecnológicamente posible pero la computación cuántica podría diseñar la hoja de ruta del proceso de implementación de un cambio de modelo energético planetario. El paradigma cuántico introduce el factor aleatorio, en el que se fundamenta, que descuadra con nuestra ordenada visión del mundo esculpida por los postulados del determinismo newtoniano, y viene a mostrar una realidad probabilística. El funcionamiento del micromundo es hoy todavía incomprensible para el ser humano, pero si algo sabemos es que su poder de transformación de nuestro mundo es inimaginable, y que, paradójicamente, sólo podremos entender una parte de la realidad. No parece estar a nuestro alcance el anhelado, y tal vez demasiado pretencioso, conocimiento de la realidad absoluta. En el supuesto de que ésta exista.

Como una semilla en su levedad y lo incierto de su destino, concentra un potencial que la llevará a ser tallo, hoja, tronco, fruto, raíz o flor y, de algún modo, mientras es semilla lo es todo a la vez, así es la extraña –y probabilística– realidad cuántica.

El átomo en el todo

Les proponemos un viaje a la estructura más pequeña de la materia: el átomo, etimológicamente “no divisible”, aunque en su interior ocurren muchas cosas… y en él habita un enjambre de partículas “viviendo” a distintos niveles de pequeñez, agitándose e intercambiando energía sin cesar en minúsculos paquetes llamados cuantos. Afortunadamente, no vemos el mundo así, con partículas y ondas de energía yendo y viniendo e interactuando sin fin. Vemos un mundo, digamos, sólido… Pero el 99,9% del átomo –común a la materia inerte y a los organismos vivos– es vacío. Su materia se concentra básicamente en un denso núcleo, compuesto por protones y neutrones, alrededor del cual orbitan ligerísimos electrones que se acercan y se alejan de él en función de su pérdida o ganancia de energía (salto cuántico), en una oscilación aleatoria pero armónica, todos al compás (se dice entonces que se hallan en coherencia cuántica). Y entre las partículas que deambulan en el interior del átomo destaca el cuark, la más pequeña de la materia, verdaderamente indivisible y único elemento que desarrolla los cuatro tipos de interacciones fundamentales que puede llevar a cabo una partícula (gravitatorias –sobre cuyo origen no hay consenso científico–, electromagnéticas y nucleares débiles y fuertes), o el neutrino, sobre el que se siguen constatando nuevas propiedades, como su fenómeno oscilatorio; Takaaki Kajita recibió el Nobel de Física en 2015 por probarlo. Las interacciones de las partículas que constituyen el átomo –su estructura interna– son pues, las que determinan las propiedades macroscópicas de la materia. Estas partículas elementales, esto es, que no tienen una subestructura, se comportan a escala subatómica de modo distinto a como lo hacen a escala macroscópica, mostrando propiedades que turbaron a la comundad científica del momento, cien años atrás, y que supusieron para Einstein un verdadero quebradero de cabeza, en particular el denominado entrelazamiento cuántico, al que él llamamaba “acción a distancia fantasmagórica” por su antiintuitiva condición de “no localidad” (la física clásica establece que dos objetos no pueden influirse mutuamente como si estuvieran juntos si están alejados entre sí, la cuántica demuestra que sí). El caso es que los físicos de la época se pusieron manos a la obra y trataron de explicar lo que la física newtoniana no podía, desarrollando los postulados de la teoría cuántica, cuyas leyes, aunque no las entendamos, se han cumplido siempre.

Así que después de constatarse que, a pesar de la extrañeza de sus enunciados, la fiabilidad y precisión de las leyes de la teoría cuántica son irrefutables, ha llegado el momento de utilizar los conocimientos adquiridos sobre esta discplina en las últimas décadas en aplicaciones prácticas, además de seguir avanzando en la comprensión de estos singulares comportamientos de la materia. Ocurrió con la electricidad, que comenzó a utilizarse sin haber comprendido cómo se producía el fenómeno, y ahora haremos lo mismo con la cuántica, una teoría sobre la que el mismísimo premio Nobel de Física en 1965 –por sus contribuciones al desarrollo de la electrodinámica cuántica, y quien dos décadas después uniría la física cuántica con la teoría de la información) –, Richard Feynman, afirmó: “Creo que puedo decir con seguridad que nadie entiende la mecánica cuántica”. Así que si después de leer este reportaje tienen la sensación de que todo les ha quedado meridianamente claro, será que…, paradójicamente, no me he explicado bien.

1, 2, 3, probando

Estamos viviendo un despliegue de nuevas tecnologías que ayudarán a aprovechar las capacidades de la física cuántica en ámbitos tan diversos como la farmacología, la radiodiagnosis o la geolocalización. De hecho, buena parte de la tecnología creada en la segunda mitad del siglo XX se ha diseñado con principios de la física cuántica. Como nos explica Pol Forn-Díaz, jefe del grupo de investigación Quantum Computing Technology del IFAE -Instituto de Física de Altas Energías-, “muchas de las tecnologías que están en el mercado desde hace años requieren los efectos de la física cuántica, como los transistores de los chips de nuestros procesadores, que requieren una transcripción cuántica del comportamiento de los materiales; o la resonancia magnética, que interactúa con los espines de las moléculas recogiendo el momento magnético de las moléculas de agua de tu cuerpo, y eso es una respuesta cuántica; o el láser, en el que la luz está en un estado cuántico coherente”. Sin embargo, en la actualidad se habla de una segunda revolución cuántica.

Veamos porqué.

Desde finales de los 90 los experimentos en el mundo académico han logrado controlar sistemas cuánticos individuales: un sólo átomo, un sólo fotón… Hoy es posible controlar y programar el estado cuántico de varios de estos sistemas cuánticos a la vez y de forma muy precisa. Pero, ¿qué son las tecnologías cuánticas? Forn-Díaz las define como «una serie de nuevas tecnologías con las que se pretende controlar los estados cuánticos de la materia y de la radiación de la luz para poder aprovechar la capacidad de la física cuántica, como la superposición y el entrelazamiento”.

Pero que nadie se lleve a engaño, el dominio de la materia a nivel cuántico está en pañales y funciona a golpe de serendipia. En cualquier caso, la computación cuántica se erige como la más destacada de este conjunto de tecnologías. En los últimos años ha habido una fuerte apuesta por una tecnología que parece entusiasmar a los mercados. Hoy gobiernos como China, Rusia o EE UU, inversores y grandes empresas tecnológicas como Google, IBM, Intel o Microsoft compiten en el terreno de la computación cuántica. También Emiratos, que “ya está planificando su futuro pospetróleo”, en palabras del profesor José Ignacio Latorre, físico cuántico, catedrático, investigador y divulgador de entusiasmo contagioso, y un ejemplo más del reconocimiento internacional al talento español. Latorre ha recibido el encargo del gobierno de ese país de crear y dirigir un centro de computación cuántica en Abu Dabi, con una financiación espectacular dicho sea de paso, con el objetivo de participar en la carrera por la hegemonía cuántica. Y es que en la vida “real”, como en la cuántica, las apariencias (o los prejuicios…) engañan, y hay países que, sin hacer ruido, van haciendo camino…

El ámbito de la IA será otro gran beneficiado de las aportaciones de la computación cuántica, especialmente útil en la fase de entrenamiento que requieren las inteligencias artificiales; los ordenadores cuánticos, con su gran capacidad de cálculo, reducirán enormemente este proceso de aprendizaje. La robótica trata de imitar los procesos cerebrales utilizando la computación binaria clásica, basada en secuencias de ceros y unos, bits. Pero los procesos vitales no funcionan secuencialmente sino que lo hacen de manera simultánea. Es posible que la IA halle en la implementación de los mecanismos cuánticos de la materia un modo más eficiente de aproximarse a la reproducción del pensamiento humano, si es que ese es, o debiera ser, el objetivo de la tecnología de inteligencia artificial… (Investigaremos sobre todo ello para un próximo reportaje).

En cuestión de calendario, Pol Forn-Díaz nos da una pista sobre los plazos para su implantación: “Todos los ordenadores cuánticos que hay actualmente son prototipos. La previsión es que en 5 años empiecen a aparecer modelos que ya puedan abordar un problema interesante de optimización de procesos o simulación cuántica de alguna molécula… En 10 años es factible que haya ordenadores cuánticos que se consideren universales, es decir, que puedan ejecutar cualquier algoritmo cuántico”. Nuestro interlocutor, que también es socio fundador, junto con el profesor José Ignacio Latorre y otros reputados científicos, de la spin-off de computación cuántica Qilimanjaro Quantum Tech, explica cómo este incipiente servicio a empresas puede ser de utilidad: “En los procesos industriales que tengan muchos pasos y diferentes maneras de llegar al producto final, problemas de logística, etc., hay algoritmos cuánticos que pueden optimizar estos procesos de forma muy eficiente”. Por lo que respecta al sector sanitario, Pol Forn-Díaz destaca el papel de la tecnología cuántica en pruebas diagnósticas como la resonancia magnética, de la que expone “será muy localizada, se conseguirá una precisión nanométrica y además será una terapia más amable”, y pone el acento en el potencial de la química cuántica y la farmacología: “En el momento en que se tengan ordenadores cuánticos suficientemente grandes, con suficientes cúbits, se podrán simular moléculas y reacciones químicas con resultados precisos”, concluye.

Tecnologías cuánticas

Entre las principales tecnologías cuánticas encontramos la de sensores, que será una de las primeras en llegar al mercado. Los sensores cuánticos, extremadamente sensibles a variables físicas, tienen ya aplicaciones en metrología, superando en precisión a los relojes atómicos, o en navegación. Las comunicaciones seguras, con el punto de mira en el internet cuántico, y la computación cuántica constituyen en este momento el segmento más potente en términos de mercado. Y en el ámbito de la computación serán las soluciones de simulación las que abrirán una puerta al descubrimiento de nuevos fármacos y tratamientos que pueden cambiar el panorama sanitario y el abordaje de la salud en un futuro. Los supercomputadores ya simulan el comportamietno de la naturaleza pero con la tecnología cuántica, tal como recoge el último informe de Ametic, La España cuántica: una aproximación empresarial, “se podrá simular eficientemente el comportamiento de una molécula porque los elementos que componen el simulador son las mismas partículas elementales de la molécula. Las aplicaciones que esto ofrece nos ayudará en la creación de nuevos materiales, nuevos medicamentos, predicción del comportamiento de la naturaleza, etc.”.

Química y física, sinergia exponencial. El estudio del comporamiento de la materia a nivel subatómico, por tanto cuántico, nos dotará de nuevas herramientas para el control de la enfermedad. La ilustración muestra un coronavirus, en concreto el SARS-CoV-2, causante de la COVID-19. Estas nuevas vías de estudio pueden ser decisivas en futuras, y subrayamos ‘futuras’, pandemias.

Biología cuántica: salto vital

La primera confirmación de que la mecánica cuántica podía estar implicada en procesos vitales se obtuvo en 2007 cuando investigadores de la Universidad de California obtuvieron la primera evidencia experimental de la coherencia cuántica en la fotosíntesis. Otros procesos vitales de naturaleza cuántica sobre los que se está estudiando son el olfato, la respiración, o el fenómeno migratorio de las aves, que han desarrollado mecanismos para aprovechar el campo magnético terrestre (magnetorecepción). También la cognición cuántica, aproximación que trata de explicar, contemplando los fenómenos subatómicos, el modo en que el cerebro humado procesa la información. El reputado físico teórico de la UC Santa Barbara, Matthew Fisher, anunciaba recientemente haber identificado un conjunto preciso y único de componentes biológicos y mecanismos clave en el procesamiento cuántico del cerebro.

“El estudio de la naturaleza del enlace químico es uno de los principales objetivos de la química cuántica”, explica Salvador Miret, profesor de investigación del CSIC, en su libro Biología cuántica, y detalla: “Se sabe que las moléculas poseen nuevas e insospechadas propiedades que no muestran los átomos que la constituyen. Estas nuevas propiedades que emergen cuando se unen los átomos hace que ese reduccionismo, utilizado para entender el edificio molecular, no sea suficiente para lograr una total comprensión de la actividad de las moléculas cuando están inmersas en distintos medios”. Sin ir más lejos, la autoreplicación, el mecanismo fundamental de la célula, el ‘átomo de la vida’, es “de naturaleza cuántica, o dicho más precisamente, de química cuántica”, destaca el autor.

En cualquier caso, el medio influye de forma decisiva en el comportamiento de los sistemas físicos, de manera que resulta significativo, y aún un misterio para los investigadores, que en los organismos vivos, que suponen un entorno caliente, húmedo y turbulento para el sistema, la coherencia cuántica se mantenga pudiéndose así producir todas las funciones del organismo al unísono. La interferencia, en este caso del entorno, puede destruir el entrelazamiento cuántico provocando la decoherencia del sistema; ello provocaría cambios en la actividad biológica, y es en este contexto que Miret refiere el concepto de ‘epigenética cuántica’ sugiriendo la implicación de mecanismos cuánticos en la activación y desactivación de los genes.

Mendel ya anunció que las mutaciones que aparecen durante el proceso de división celular ocurren al azar, y en la misma línea el profesor Miret expone que “la química cuántica debe estar detrás de, al menos, algunas mutaciones, si no de todas”, y reflexiona: “Si el mecanismo de autorreplicación fuese siempre perfecto, la vida nunca hubiera podido darse en toda su amplia y rica diversidad como la conocemos. Incluso más aún, la vida hubiera desaparecido muy pronto a lo largo de la evolución. No hay rosa sin espinas”, sentencia. Cabe señalar, sin embargo, que a día de hoy no hay unanimidad científica sobre el peso de los efectos cuánticos en el conjunto de los procesos biológicos.

El secreto está en las ondas…

La sugerencia lanzada en 1924 por Louis de Broglie (Nobel de Física en 1929) sobre que de igual modo que las ondas de luz presentaban propiedades de partículas éstas podían presentar también propiedades ondulatorias, propició que Erwin Schrödinger presentara dos años después su formulación sobre la mecánica cuántica, la llamada función de onda, entidad matemática que determina la probabilidad de encontrar una partícula en un punto del espacio. La discusión filosófica que generó la posibilidad de que la función de onda pudiera aplicarse a sistemas individuales, no sólo a las partículas, dio lugar al ejemplo que utilizó Schrödinger para explicarlo y que se ha convertido en un clásico, mostrando la realidad probabilística de que un gato estuviera vivo y muerto al mismo tiempo.

El hecho de que las partículas se comporten simultáneamente como ondas da lugar a que los electrones puedan traspasar barreras físicas que como partícula no pueden hacer. Se llama “efecto túnel” y es uno de los fenómenos cuánticos más importantes implicados en los procesos biológicos. La computación cuántica también se sirve de la función de onda de los cúbits, programando esta magnitud en el sistema.

La física clásica explicó que la energía se mueve de manera continua ocupando una región muy concreta del espacio, sin embargo el estudio del fenómeno de la dualidad onda-corpúsculo de la teoría cuántica condujo a la constatación de que la energía se emite y se absorbe en pequeñísimas cantidades, unidades indivisibles llamadas cuantos; por ejemplo un fotón, unidad mínima de la luz, es un cuanto. La constante usada para calcular la energía de un fotón fue descubierta en 1900 por Max Plank, fundador de la física cuántica y Nobel en 1918, es la constante de Planck. Se demostraba que la energía viaja en paquetes y que es por tanto, y en contra de los supuestos de la física clásica, una magnitud discontinua.

Prototipo de ordenador cuántico de Google. El artefacto frigorífico mantiene el chip cuántico –de aproximadamente 1 cm2– a temperatura de casi cero absoluto, y sus circuitos, realizados con materiales superconductores, le aíslan del entorno. Son buenos tiempos para la física. En nuestro imaginario ocupan un lugar especial los apasionados de la informática en un garaje… Esta tecnología nos brinda un nuevo referente, la de apasionados físicos para los que parece haber llegado el momento de salir a escena.

Qué esperar de un ordenador cuántico

La computación cuántica es la más antigua de este conjunto de tecnologías; ya en los años 90 se demostró su viabilidad. El año pasado IBM presentó en el salón CES de Las Vegas el primer ordenador cuántico para uso comercial, el IBM Q System One, de 20 cúbits, y acaba de anunciar para 2023 un modelo 17 veces más potente que el actual, de 64 cúbits. Pero el primer prototipo que ha conseguido la llamada ‘supremacía cuántica’ lo ha desarrollado Google con su procesador cuántico Sycamore formado por 54 cúbits. En el proyecto participa el físico y filósofo español Sergio Boixo, jefe científico de Quantum Computer Theory para el laboratorio de inteligencia artificial cuántica de Google. Los resultados, según la compañía, arrojaron un ratio de 200 segundos frente a 10.000 años en la resolución de un problema de cálculo. El experimento en cuestión realizó la comparativa con el supercomputador más potente del mundo, el Summit, que está en Tennessee y es de IBM…, que se ha mostrado crítica con los resultados, que fueron publicados en la revista científica Nuture el 23 de octubre de 2019.

Los cúbits, que son las unidades básicas de información en computación cuántica, forman un sistema físico que tiene la probabilidad cuántica de estar en dos estados a la vez. La computación cuántica aprovecha la propiedad de la dualidad onda-partícula (o corpúsculo) por la que un ente presenta propiedades de partícula y de onda al mismo tiempo cuando se halla en coherencia cuántica: “programas la función de onda –explica Forn-Díaz–, ya que las ondas pueden estar en varios sitios al mismo tiempo, y es posible realizar varias computaciones a la vez como una onda”. Los ordenadores cuánticos no son modelos más potentes que los superordenadores sino que permiten atacar problemas intratables, y su utilidad principal será reducir el tiempo que se tarda en resolver este tipo de problemas concretos. Tampoco serán ordenadores domésticos, por lo menos no en un futuro próximo; los utilizaremos en la línea de los actuales supercomputadores, que tampoco están pensados para tener uno en casa, y se ubicarán en centros de investigación y en las instalaciones de las compañías que comercialicen el servicio de su uso, disponible en la nube, como ya está haciendo IBM.

Para que un chip superconductor cuántico se comporte de modo cuántico debe ser aislado de las perturbaciones de otras partículas, de los campos magnéticos, de la radiación (luz, rayos X, rayos cósmicos…), ha de permanecer a una temperatura de casi cero absoluto y sus circuitos requieren materiales superconductores –porque son los que mejor mantienen la coherencia cuántica; existen numerosos estudios abiertos en torno a nuevos materiales que permitan generar bits cuánticos estables–. Uno de los inconvenientes de esta tecnología es que su gran sensibilidad produce más fallos que la computación clásica, de modo que hacen falta muchos cúbits para optimizar la fiabilidad de los resultados. Ese es el reto en la actualidad: cuantos más cúbits entrelazados entre sí podamos controlar, más incrementaremos la capacidad de procesamiento, que crecerá de forma exponencial y posibilitará corregir los errores con mayor fidelidad.

Ahora me ves…

Una particularidad que condiciona completamente los resultados de la medición de la materia en estado cuántico es que el observador modifica dicho resultado por el solo hecho de mirar; cuando tratamos de tomar la medición de un sistema cuántico en estado de superposición éste colapsa en uno solo de los estados, de manera que no podemos observar las partículas mientras se encuentran en un estado cuántico de superposición. Los sistemas cuánticos tienen una alta sensibilidad ambiental y el ruido introducido por el observador produce su decoherencia, haciendo que las partículas adopten un comportamiento “macro”, es decir, un solo estado. Entonces las vemos.

La estrategia de los investigadores ante el llamado “problema de la medida cuántica” es abordar un acercamiento sigiloso, interviniendo mínimamente para no introducir ruido que rompa la coherencia cuántica. Ello conlleva una menor precisión en la medida; en esta estrategia de lo que se denomina “medida débil” se trata de realizar la medición muchas veces para obtener una media. Ni siquiera el matemático John von Neumann, quien desarrolló la mecánica cuántica de las mediciones, pensaba que las mediciones ideales fuesen posibles. A mediados de siglo XX el físico alemán Gerhart Lüders demostró que para que la mecánica cuántica fuese consistente las mediciones ideales tenían que existir. Y ha sido este mismo año en que un grupo de científicos europeos ha conseguido la medición ideal de una secuencia cuántica mediante instantáneas tomográficas de milisegundos, demostrando que el cambio de estado no es instantáneo sino que existe una sucesión, y que se puede medir. Ello ayudará a entender, entre otras cosas, cómo se produce el ruido en el sistema, uno de los escollos de la computación cuántica. Ya existe un tipo de medidas, llamadas “de no demolición”, hasta ahora demostradas en el contexto de la computación, donde la medida no modifica el estado cuántico del sistema. Estas servirán para implementar corrección de errores cuánticos, clave en el avance hacia el computador cuántico universal.

Así que este juego del ratón y el gato puede tener los días contados, tal vez no debamos esperar tanto para que el perfeccionamiento de las tecnologías nos desvele dónde está el truco…

Criptografía cuántica

La criptografía actual es inquebrantable (hasta que se logre el primer ordenador cuántico universal). Está basada en un cálculo que aunque no parece difícil, incluso un superordenador tardaría miles de años en procesar. Multipliquemos dos enormes factores escogidos al azar y utilicemos ese resultado para adjudicar un, llamémosle, código de encriptación, que sólo podrá desencriptar y por tanto acceder a la información el poseedor de esos dos factores primeros. Y ya está. No hay ordenador capaz de realizar las combinaciones posibles para dejar al descubierto nuestros factores secretos en menos de varios milenios. Y la criptografía hoy, nuestra seguridad en la red, se basa en ese algoritmo matemático. Como señalaba sobre esta cuestión Antonio Acín, director del grupo de Teoría de la Información Cuántica en el ICFO, en su última confrencia TEDxBarcelona, “la factorización limita el avance de la ciencia”. La computación actual, estructurada en bits, sólo permite dos respuestas, el cero y el uno, y las operaciones se realizarán siempre una tras otra. La computación cuántica, que trabaja con cúbits, aprovecha uno de estos peculiares comportamientos de la materia en su dimensión subatómica: la superosición de estados, que dota al sistema de una capacidad de cálculo exponencial que permitiría realizar la tarea simultáneamente, con lo cual podría romper cualquier código en un momento.

Y ¿por qué la encriptación cuántica es 100% segura? Por la característica de un sistema cuántico por la que al mirarlo rompemos la coherencia cuántica y éste colapsa en uno de los dos estados posibles, “eso es lo que aprovechamos para detectar instantáneamente que alguien ha entrado en nuestro sistema y podemos cortar la comunicación”, detalla Forn-Díaz. Hoy ya existen empresas que comercializan aparatos que encriptan la información cuánticamente. La spin-off del Instituto de Ciencia Fotónicas (ICFO), Quside, ha creado el primer chip integrado para generar claves de encriptación a partir de principios cuánticos. Como explicaba el fundador de la compañía, Carlos Abellán, en declaraciones recientes “los números aleatorios actuales usados en encriptación en realidad no son aleatorios, ya que nacen de algoritmos; la cuántica es la única manera de generar aleatoriedad real”. Lo mismo ocurre, por ejemplo, con las máquinas de juego llamadas ‘de azar’…, un ordenador cuántico daría con el patrón en pocos minutos.

De la causalidad a la casualidad

Si la física clásica afirmaba que todo cuanto sucedía en el universo podía ser descrito con exactitud como, por ejemplo, la trayectoria de una partícula, la evidencia experimental de la física cuántica vino a introducir el llamado principio de incertidumbre (enunciado en 1927 por Heisenberg), mostrando una realidad probabilística en la que la posición de cualquier partícula viene dada por una probabilidad, no por una certeza. En el mundo subatómico no es posible predecir la trayectoria de una partícula porque no sabemos de dónde viene ni hacia dónde se dirige.

La física cuántica nos dice que algo existe de forma simultánea en todos sus estados teóricamente posibles. Es raro. Cabe preguntarse ¿qué es la realidad? En su momento la muerte de la realidad mecanicista y determinista abrió debates en ámbitos más allá de la física, en un paso más en la historia hacia el empoderamiento del ser humano, y es que, de algún modo, la ciencia estaba demostrando la existencia de nuestra ‘partícula’ más elemental, y mayor tesoro: el libre albedrío. Aunque ¿no es la aleatoriedad, en cierto modo, también determinista sobre la veracidad de nuestra libertad, sobre si esta es real o una mera ilusión? También las sombras de Platón eran muy reales para sus peculiares observadores. Así que ¿dónde nos sitúa a nosotros, los seres humanos, todo esto? Parece que deberemos seguir buscando la razón de nuestra conciencia… De ello se está ocupando ya la neurología cuántica.

Medir el tiempo es también medir el espacio. El lugar que ocupa la materia en el espacio determina cómo transcurre, para ella, el tiempo. El enmallado de la ilustración representa el espacio-tiempo descrito por Einstein en la teoría de la relatividad general. Sin materia, la retícula no se deformaría –no habría gravedad– y el tiempo transcurriría igual en todas partes. Cuando los seres humanos pasemos largas estancias en el espacio, quienes lo hagan, al regresar a la Tierra serán más jóvenes que sus coetaneos. Newton describió la gravedad como una fuerza, que se vió no podía explicar la existencia de agujeros negros; sí lo hacía la teoría de Einsten, que definía la gravedad no como una fuerza sino como la deformación geométrica del espacio-tiempo. Más allá, es decir, en el punto infinitesimalmente pequeño en el que nació el Universo, la Relatividad presenta limitaciones; esa escala es ámbio de la teoría cuántica relativista.

Por resolver, una cuestión: las dos teorías aceptadas, la relatividad general y la mecánica cuántica, describen el universo de modo totalmente opuesto. Ha sido precisamente el descubrimiento de que “la formación de un agujero negro es una sólida predicción de la teoría general de la relatividad” lo que le ha valido al investigador británico Roger Penrose el Nobel de Física 2020, recién otorgado. Estos entes invisibles, que sabemos que están ahí por distintos indicios, el último, dos estrellas orbitando alrededor de ‘algo’, son objetos compactos supermasivos que se tragan hasta el último fotón… El agujero negro viene a ser una ‘criptonita’ para el fotón, que a medida que se acerca a él, atraído por su espectacular gravedad generada por su masa superdensa, va perdiendo energía hasta que no le quedan fuerzas –velocidad– para escapar de él hasta desaparecer.

La Teoría del Todo, de Hawking trató, sin éxito, de explicar en una sola hipótesis todos los fenómenos físicos del universo, pero a día de hoy no existe una ecuación que explique el comportamiento de la materia desde la partícula más pequeña hasta la más grande.

Por otra la parte, sabemos que los procesos cuánticos determinan nuestro funcionamiento biológico y, por tanto, el proceso evolutivo de los organismos, fundamentado en la adaptación al entorno para asegurar la supervivencia, ¿cómo se conjuga eso con la aleatoriedad? ¿Será posible formular una teoría cuántica de la evolución? El Darwinismo cuántico se aproxima al concepto de “selección” pero lo hace en la línea de plantear la existencia de un proceso de selección de la realidad subatómica más apta para ser percibida por nuestros sentidos.

Entretanto, escudriñar el mundo subatómico nos va a dar muchas respuestas, sin perder de vista la extraordinaria complejidad que supone entender cómo actúa la naturaleza a nivel molecular y, aunque aún estamos lejos, y precisamente por eso, hay que pisar el acelerador con este abordaje de las ciencias de la vida. Sergio Boixo explicaba en declaraciones recientes en televisión hasta qué punto la capacidad de cálculo de la computación cuántica “nos servirá para, por ejemplo, extraer la energía del Sol de manera supereficiente, o a diseñar materiales y fármacos que no existen, o para crear nuevos fertilizantes que ahorrarían un 2% de la energía del mundo”, refiriéndose al proceso de producción del amoníaco, hoy sustancia fundamental en la fabricación de fertilizantes. Boixo augura que estas nuevas tecnologías cambiarán nuestra forma de comprender el universo: “problemas hoy imposibles serán fácilmente resolubles”, y me quedo con una de sus frases, muy ilustrativa: “No sabemos lo que vamos a descubrir pero, seguro, que será gordo”.

Se masca en el ambiente que nuestra llegada al mundo de lo minúsculo puede ser el próximo paso adelante de la humanidad.

TEST GENÉTICOS 

“Una única prueba sirve para toda la vida”

Entrevista a Carmen Cánovas Jiménez, responsable comercial y de marketing en España de Neodiagnóstica

Mónica Daluz
06/07/2020

El mercado de los test genéticos no ha hecho más que crecer en la última década; hoy son pruebas sencillas de realizar y cada vez más baratas. Ello ha dado lugar a que su uso se extienda más allá del ámbito clínico, y en la actualidad estas técnicas están siendo útiles en asuntos derivados de nuevas circunstancias sociales, como la reagrupación familiar o la gestación subrogada. Pero, sin duda, es el campo de la medicina personalizada y de la prevención donde el abordaje genético tiene mayor recorrido. Los test genéticos en el ámbito de la salud pueden tener un objeto diagnóstico o bien preventivo, y es en este último donde se enmarca uno de los segmentos con mayores crecimientos: el de los test de ADN directos al consumidor; hoy, por ejemplo, el consumidor final puede encargar su perfil genético en 5 minutos por internet. Una cuestión no exenta de polémica. Hablamos con la portavoz de los laboratorios Neodiagnostica, especializados en análisis de ADN, Carmen Cánovas, quien nos pone al día sobre los pormenores de este mercado y nos cuenta algunas curiosidades, como el caso de los municipios que censan genéticamente a la población canina con el objetivo de mantener limpias las aceras; sepan cómo…

Carmen Cánovas Jiménez, responsable comercial y de marketing en España de Neodiagnostica.

¿Cómo ha evolucionado, a grandes rasgos, el sector de los análisis genéticos? ¿Qué tipo de pruebas comenzaron siendo las más demandadas y cuáles son hoy las más solicitadas?

Los análisis genéticos empezaron a desarrollarse a partir de 1930, cuando la caracterización del sistema AB0 de grupos sanguíneos, de la mano del patólogo y biólogo Karl Landsteriner, sentó las bases de los primeros estudios de marcadores genéticos para la determinación de paternidades. El sector de las pruebas genéticas ha evolucionado muy rápidamente gracias a los avances obtenidos en la investigación del código genético. El abanico de análisis genéticos que se pueden realizar ha crecido considerablemente, de igual modo que la información que podemos obtener a través de ellos.

En los últimos, aproximadamente, 15 años los análisis genéticos han pasado de ser exclusivos, al alcance de unos pocos, a estar disponibles para gran parte de la población.

En el caso de Neodiagnostica, el laboratorio empezó su trayectoria hace ya más de 10 años para dar respuesta a una demanda creciente de la sociedad: las pruebas de paternidad y otros parentescos. En estas pruebas se verifica la coincidencia de determinados fragmentos del código genético, los STR (Short Tandem Repeats) que tienen una variabilidad elevada y son heredables entre individuos relacionados. Estas pruebas son de las más solicitadas actualmente gracias a la sencillez del procedimiento y los precios competitivos.

El abanico de pruebas de ADN es cada vez mayor y, paralelamente, se abre la posibilidad de que los ciudadanos tengamos más información sobre nosotros mismos, ¿qué información nos brindan estos test de ADN para mejorar nuestra salud, y en qué ámbitos?

Cada vez más personas desean cuidarse y seguir un estilo de vida saludable, y actualmente es posible realizar un análisis genético de prácticamente cualquier fragmento de nuestro código genético que tenga alguna implicación a nivel de salud y calidad de vida. En este sentido constatamos un incremento de la demanda de este tipo de pruebas.

La información es poder y también lo es en el código genético de cada persona. Poder para, por ejemplo, mejorar nuestra alimentación, prevenir enfermedades cardiovasculares y adaptar nuestros hábitos a lo que nuestro cuerpo realmente necesita.

Las pruebas de ADN de salud han evolucionado mucho en los últimos años y ahora nos permiten mejorar nuestra calidad de vida de una forma nunca vista anteriormente. ¿Soy intolerante a la lactosa?, ¿por qué me sienta mal el café?, ¿tengo predisposición a desarrollar una adicción al tabaco o al alcohol?, ¿por qué no consigo adelgazar por más ejercicio y dieta que haga?, ¿por qué como sano e igualmente tengo el colesterol alto? Y así, cientos de preguntas que tienen una fácil respuesta mediante una sencilla prueba de ADN.

Las pruebas genéticas pueden ayudarnos a identificar cuáles son esos pequeños cambios que en nuestro día a día pueden marcar una gran diferencia. El metabolismo eficaz de vitaminas, minerales y otras sustancias depende de nuestro código genético, así como la tasa de envejecimiento biológico, el riesgo de tener sobrepeso y la densidad ósea, por poner algunos ejemplos.

También están proliferando las pruebas con el objeto de encontrar familiares, ¿cómo ha crecido este segmento de la demanda?

Las pruebas de parentesco o filiación incluyen las pruebas de paternidad, hermandad, maternidad y todo tipo de relaciones familiares, incluso más lejanas, como entre tíos-sobrinos, abuelos-nietos…. Estas pruebas son muy sencillas de realizar, donde en la mayoría de los casos recogemos muestras de saliva mediante hisopos bucales, aunque también podemos analizar otro tipo de muestras como uñas, cepillos de dientes, cabellos, entre otras. El cliente interesado puede acudir a un centro a que le tomen la muestra o comprar un kit para pruebas de ADN, tomarse él mismo la muestra y enviarla al laboratorio para su análisis. En nuestro laboratorio analizamos las muestras y comparamos los perfiles de los sujetos para determinar si existe parentesco entre ambos con una fiabilidad superioral 99,999%.

A pesar de lo que pueda parecer, las pruebas de paternidad no solo sirven para confirmar la descendencia de un hijo de un supuesto padre cuando existen dudas por parte de alguno de los progenitores; su utilidad es mucho mayor. Las pruebas de parentesco pueden realizarse con validez judicial, manteniendo la cadena de custodia de la muestra durante todo el proceso para que sean aceptadas en trámites legales. Esto amplía el rango de casos en los que se demandan pruebas de parentesco. Los jueces pueden solicitar estas pruebas en muchos casos, como reclamación de herencias, reconocimiento de hijos, etc.

¿Qué otros usos poco conocidos tienen este tipo de pruebas?

Las embajadas solicitan pruebas de paternidad o maternidad en reagrupaciones familiares, para que un padre o madre inmigrante pueda reagrupar a sus hijos de su país. Los movimientos migratorios de los últimos años han hecho que este sea uno de los motivos por los cuales más se demandan estas pruebas.

La gestación subrogada, a pesar de su controversia, es la opción que eligen muchas parejas que desean tener hijos biológicos y no pueden. La gestación tiene lugar en países donde las leyes lo permiten, y cuando nace el bebé las embajadas y consulados solicitan una prueba de paternidad y/o maternidad para justificar el origen genético del bebé y poder traerlo a nuestro país.

Las pruebas de parentesco pueden servir también para identificar, confirmar o desmentir un posible caso de bebés robados.

En materia de innovación tecnológica, hoy ya es posible realizar pruebas de paternidad prenatales no invasivas…

Sí, las últimas innovaciones, como la NGS (Next Generation Sequencing), permiten realizar pruebas de paternidad prenatales de forma no invasiva. Estas pruebas son totalmente seguras para la madre y para el feto al realizar el análisis mediante sangre materna periférica, como si de una analítica convencional se tratara. Antes del desarrollo de la NGS, las pruebas de paternidad prenatales eran invasivas y requerían de una pequeña intervención a la madre gestante. Las pruebas de paternidad prenatales no invasivas cada vez tienen una mayor demanda debido a su seguridad, y además es habitual que las dudas sobre la paternidad del bebé vengan desde antes del nacimiento.

¿Qué tecnologías destacaría como las más significativas en el avance este tipo de pruebas?

Sin duda, la automatización de gran parte del procedimiento. Esto ha sido una revolución, ya que en un día podemos realizar todo el análisis, desde la extracción del ADN de la muestra, hasta la electroforesis de los fragmentos amplificados. Ello nos permite obtener resultados rápidamente. Además, las mejoras en la resolución de la secuenciación y el perfeccionamiento del software de análisis hacen que los resultados que obtenemos sean más limpios y sencillos de interpretar.

¿Cuál es en la actualidad el equipamiento imprescindible en un laboratorio de análisis genéticos?

El equipamiento imprescindible para un laboratorio que realice análisis genéticos sencillos son: el extractor de ADN, la campana de flujo laminar, el termociclador, el secuenciador, y el software de análisis. Es muy importante contar con protocolos estandarizados para asegurar la repetibilidad de los resultados que se obtienen, dando así resultados fiables. Disponer de acreditación por alguno de los organismos que otorguen dicha potestad garantiza la competencia técnica del laboratorio y es un punto más para asegurar la calidad del procedimiento. Y es indispensable contar con un equipo técnico formado, capaz de trabajar bajo presión y con empatía para tratar con los clientes, ya que no hemos de olvidar que detrás de cada muestra que recibimos hay una persona que ha confiado en nosotros para resolver su problema.

¿Cómo están ayudando las pruebas de ADN en el avance hacia la personalización de los tratamientos?

Los tratamientos convencionales se basan en unas pautas que no tienen en cuenta que el código genético de cada persona es distinto, y, por tanto, cada cambio que haga en su día a día, bien sea una dieta, reducir las grasas saturadas, o un tratamiento farmacológico, tendrá unos resultados variables en cada individuo; tener esto en cuenta aumentará las probabilidades de éxito. El código genético se mantiene estable a través del tiempo, con él nacemos y con él moriremos. Una única prueba sirve para toda la vida.

No hay que olvidar que los genes son solo un condicionante del fenotipo, lo que se manifiesta. El ambiente también influye, y mucho. Por ejemplo, una persona podría tener genes desfavorables para tener el colesterol alto. Saber esto puede ayudarle a cambiar sus malos hábitos y, si mantiene una alimentación saludable y hace ejercicio, puede ganar en calidad de vida. En el caso contrario, poseer unos genes favorables no exime de la conveniencia de tener hábitos saludables. Saber en qué nuestro código genético nos hace más vulnerables puede ser un primer paso para construir una vida más larga y sana.

¿Cómo habéis visto evolucionar los análisis genéticos en animales domésticos? ¿Qué utilidad tienen las pruebas genéticas en estos animales?

Desde hace algunos años los análisis genéticos también han dado el salto hacia otras especies, principalmente en animales domésticos como perros y gatos, y también son muy habituales en caballos.

En nuestra sociedad cada vez es más común tener animales de compañía, que pronto se convierten en un miembro más de la familia. Las mascotas reciben todo tipo de cuidados que hace solo unas décadas eran impensables: atención veterinaria, comida especializada, ropa y complementos… Por ello, no es extraño que estos animales hayan entrado también en el panorama médico y científico. El catálogo de pruebas genéticas en animales domésticos, como los perros y caballos, es muy amplio. Estas pruebas también son muy sencillas que realizar, ya que en muchos casos es suficiente con una muestra de saliva.

De forma similar a los humanos, pueden ser útiles para mejorar la salud del animal, si bien pueden tener otras aplicaciones muy diversas.

Por ejemplo….

El código genético canino, al igual que el de todas las especies, se mantiene constante a través del tiempo, con lo cual obtener el perfil genético del perro puede ser útil para identificar al animal en casos de pérdida o robo, cuando la identificación a través del microchip no sea posible.

En casos de agresión causada por un perro, también son útiles las pruebas de ADN canino. Mediante una muestra obtenida de la herida (saliva, sangre, pelos) podemos identificar el perro que la ha causado.

En los perros de raza, los certificados que se expiden actualmente para el pedigree no proporcionan suficientes garantías. Hay numerosos casos de fraude a la hora de registrar a los animales en una raza. Por ello, la prueba de paternidad canina es la única capaz de garantizar quién es el padre de un cachorro.

El mercado de caballos de raza es muy importante y mueve anualmente a muchos compradores con gusto por estos animales y por la hípica. En este caso, las pruebas genéticas pueden validar el origen de un caballo de una supuesta raza, o su descendencia de un ejemplar de unas características determinadas, confirmando así el valor del caballo.

MyADNlab.

Y, en un futuro, pueden servir para mantener nuestras ciudades limpias de excrementos…

Sí, la población canina de nuestros pueblos y ciudades ha aumentado considerablemente, y con ello, por culpa de algunos dueños incívicos, también la suciedad de las calles. Por este motivo, cada vez más municipios optan por dar un paso adelante y realizar un censo canino mediante ADN. El municipio ordena genotipar a toda la población canina para elaborar una base de perfiles de ADN: los dueños de los perros acuden a su centro veterinario, donde se les extrae la muestra, y el laboratorio la analizará y obtendrá el perfil genético del animal para incorporar al censo. Cuando esta etapa haya finalizado, si los operarios municipales encuentran heces en la vía pública recogen una muestra y la envían al laboratorio para su análisis y cotejo con la base de perfiles de ADN. Si existe coincidencia entre el perfil genético de la muestra recogida y alguno de los perfiles del censo canino, se le envía una sanción al propietario del perro.

Esto es una curiosidad, pero nos da una idea de la versatilidad de aplicaciones del estudio del ADN…

En efecto, y a medida que se vayan descifrando los entresijos del código genético podrán aportar más información y ser más útiles en distintas áreas.

¿Qué diría a aquellos que opinan que este tipo de pruebas debe indicarlas un facultativo? En cualquier caso, los resultados que se envían al consumidor final se acompañan de un informe realizado por un profesional de la salud, ¿es así?

Ya hemos visto que las pruebas genéticas pueden tener muchas aplicaciones, y estas no requieren de la participación de un médico facultativo, quizás con la excepción de las pruebas genéticas que predicen el riesgo de enfermedades graves. Para el resto, cualquiera puede solicitarlas de forma muy sencilla. El conocimiento de nuestro código genético nos puede permitir mejorar nuestro estado de salud con pequeños cambios en nuestra alimentación y hábitos. Si fuera necesaria la prescripción se haría más difícil el acceso. Que la prescripción no sea necesaria, no impide que los resultados de estos test genéticos puedan ser utilizados por médicos, nutricionistas, etc., para adaptar los tratamientos o dietas a las necesidades genéticas de cada persona.

En el caso de Neodiagnostica, nuestro equipo de genetistas realiza un informe acompañando los resultados de las pruebas. Los informes se estructuran de forma sencilla y en un lenguaje comprensible para la población general. En las pruebas de estilo de vida incluimos las recomendaciones para adaptar el plan nutricional y/o de ejercicio físico para que, con solo el informe, la persona sea capaz de poner en práctica pequeños cambios que le ayuden a conseguir sus objetivos sean cuales sean: adelgazar, estar más sano, mejorar el rendimiento deportivo…

Es difícil para el consumidor saber dónde encargar su estudio, sobre todo cuando éste es online… ¿Realizan alguna acción con las oficinas de farmacia por si el consumidor acude al farmacéutico a pedir consejo? ¿Tienen previsto en el futuro comercializar estos kits de ADN a través de las farmacias?

Pues ciertamente es un área de negocio que nos estamos planteando. En estos momentos no estamos realizando acciones con las farmacias, pero nos estamos preparando para empezar con ello en los próximos meses. Creemos que las farmacias suponen una gran red de fácil acceso y de confianza para los consumidores. A veces nos encontramos con algún cliente con problemas o reticencias a la hora de adquirir online los kits de ADN y, sin duda, poder adquirirlo en una farmacia de su conveniencia facilitaría el procedimiento.