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Un gemelo cuántico de la Tierra velará por la salud del planeta

Un gigantesco gemelo digital de la Tierra usará la computación cuántica y la IA para potenciar el conocimiento de los ecosistemas terrestres, anticipar desastres naturales y controlar el impacto humano sobre la naturaleza.

Europa inicia este año el desarrollo del programa Digital Twin Earth, una réplica digital dinámica de nuestro planeta que imita con precisión el comportamiento de la Tierra con tecnologías punteras como la computación cuántica y la Inteligencia Artificial (IA).

Digital Twin Earth se desarrollará en el marco del proyecto europeo Destination Earth (DestinE), que comienza a mediados de este año y durará diez años.

Digital Twin Earth es un modelo digital de alta precisión de la Tierra, una especie de gemelo digital, que cartografiará en tiempo real el desarrollo climático y los eventos extremos de la mejor manera posible en términos de espacio y tiempo.

Alimentada continuamente con datos de observación de la Tierra, combinados con mediciones in situ, computación cuántica e IA, Digital Twin Earth proporcionará una representación inédita de los cambios pasados, presentes y futuros en nuestro mundo, que según los científicos ya se encuentra en estado terminal.

Potentes tecnologías punteras

Una de las novedades que incorpora este modelo es la primera tecnología de inteligencia artificial (IA) a bordo de una misión europea de observación de la Tierra, ɸ-sat-1, lanzada en septiembre pasado, que constituye el primer experimento para mejorar la eficiencia al enviar grandes cantidades de datos desde el espacio a nuestro planeta.

La segunda novedad tecnológica importante con la que contará Digital Twin Earth es la computación cuántica, que tiene el potencial de mejorar el rendimiento, reducir los costos computacionales y resolver problemas previamente intratables en la observación de la Tierra.

Esta mejora se consigue mediante la explotación de fenómenos cuánticos como la superposición, el entrelazamiento cuántico y el efecto túnel (o efecto túnel cuántico).

Esta aportación se desarrolla en el marco de la «Iniciativa cuántica EOP mejorada con IA para EO – QC4EO» en colaboración con CERN, el centro europeo de investigación nuclear.

Esta iniciativa incluye la creación de una capacidad cuántica que permitirá resolver costosos problemas de observación de la Tierra utilizando inteligencia artificial para apoyar a Digital Twin Earth, tal como se puso de manifiesto en septiembre pasado, durante la celebración de la semana Φ de la ESA.

Más allá de la tecnología actual

Gracias a estos desarrollos tecnológicos, el gemelo digital de la Tierra monitorizará como nunca la salud del planeta, realizará simulaciones avanzadas del sistema interconectado de la Tierra con el comportamiento humano, y apoyará al sector del desarrollo sostenible con un rigor sin precedentes en estos parámetros.

En un artículo publicado esta semana en la revista Nature Computational Science, los investigadores británicos y suizos encargados del desarrollo de Digital Twin Earth señalan que es un proyecto necesario porque los modelos actuales que analizan el ecosistema terrestre se quedan cortos para responder a los desafíos climáticos presentes.

En el citado artículo, escriben que los desafíos sociales que surgen del cambio climático requieren un cambio radical en la habilidad predictiva que no será alcanzable solo con mejoras incrementales.

Por eso consideran necesario dar un salto cualitativo en la capacidad científica de conocer y predecir acontecimientos del ecosistema terrestre, salto que pasa por un desarrollo tecnológico apoyado en la computación cuántica y la IA.

Precisan que la ciencia computacional es crucial para ofrecer predicciones meteorológicas y climáticas fiables y proponen el diseño de una infraestructura novedosa que sea escalable y más adaptable a arquitecturas informáticas futuras, pero desconocidas.

Comparación entre imágenes de satélite observada (izda.) y simulada. Crédito: ECMWF, Reading, Reino Unido.

Hardware y algoritmos

Para lograr las mejoras necesarias, los autores enfatizan la necesidad del codiseño, es decir, del desarrollo conjunto y simultáneo de hardware y algoritmos.

Los autores cuentan con la IA para la asimilación de datos o el procesamiento de los datos de observación, así como para la representación de procesos físicos incompletos en los actuales modelos climáticos.

Consideran que la IA permitirá acelerar las simulaciones y filtrar la información más importante entre grandes cantidades de datos, tal como se explica en un comunicado.

Los investigadores asumen que el uso del aprendizaje automático no solo hace que los cálculos sean más eficientes, sino que también puede describir mejor los procesos físicos.

Entre las arquitecturas de computación disponibles hoy y en el futuro cercano, identifican a las supercomputadoras basadas en procesadores gráficos (GPU) como la opción más prometedora.

Calculan por último que el funcionamiento completo de un gemelo digital requiere un sistema con aproximadamente 20.000 GPU con una potencia estimada de 20MW. Por razones tanto económicas como ecológicas, ese potente ordenador debería funcionar en un lugar donde la electricidad generada de manera neutra en CO 2 esté disponible en cantidades suficientes.

Perspectivas

En base a estas nuevas herramientas informáticas, el gemelo digital de la Tierra podrá hacer un seguimiento permanente de los efectos del cambio climático, del estado de los océanos, de la criosfera (las partes de la superficie de la Tierra donde el agua se encuentra en estado sólido), de la biodiversidad, y del uso de la tierra y de los recursos naturales, señalan los científicos.

Asimismo, realizará simulaciones dinámicas de alta precisión de los sistemas naturales de la Tierra, centrándose en dominios temáticos como el marino, terrestre, costas o atmósfera.

Al mejorar las capacidades de modelización y predicción, ayudará también a anticipar y planificar medidas en caso de huracanes y otros fenómenos meteorológicos extremos y desastres naturales.

Impulso al proyecto europeo

Los aspectos científicos y tecnológicos no son los únicos relevantes del proyecto, ya que también apoyará la formulación y aplicación de políticas de la UE: Digital Twin Earth podrá evaluar el impacto y la eficiencia de la política medioambiental y las medidas legislativas adoptadas en el territorio de la Unión.

El esfuerzo tecnológico que representa Digital Twin Earth reforzará por último las capacidades industriales y tecnológicas de Europa, tanto en simulación, modelado, análisis de datos predictivos e inteligencia artificial (IA), así como en informática de alto rendimiento, concluyen los investigadores.

Referencia

The digital revolution of Earth-system science. Peter Bauer et al. Nature Computational Science volume 1, pages104–113(2021). DOI:https://doi.org/10.1038/s43588-021-00023-0

Imagen superior: ilustración del gemelo digital de la Tierra. (ESA).

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe

Eduardo Martínez de la Fe, periodista científico, es el Editor de Tendencias21.

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