Wskazówki dotyczące kwantowego pozyskiwania światła w całkowicie nowej formie obliczeń

Fizycy od dawna wiedzą, że rośliny i bakterie przekształcają światło w energię chemiczną w sposób niezwykle wydajny. Ale dopiero w ostatnich latach odkryli, że maszyny molekularne stojące za tym procesem opierają się na mechanice kwantowej.

To duża niespodzianka ze względu na występujące temperatury. Stany kwantowe są bardzo kruche — kichają i znikają w obłoku dymu. Fizycy mogą utrzymywać te stany przez jakiś czas w starannie kontrolowanych środowiskach w niskiej temperaturze, ale nikt nie potrafi wyjaśnić, jak to jest możliwe w ciepłym, wilgotnym środowisku wewnątrz żywych istot.

Dziś odpowiedź znają Gabor Vattaya z Uniwersytetu Eotvos w Budapeszcie i Stuart Kauffman z Uniwersytetu Vermont w Burlington. Mówią, że procesy stojące za zbieraniem światła są specjalną mieszanką kwantowego i klasycznego. I że ta delikatna mieszanka reprezentuje całkowicie nową formę obliczeń, którą natura może wykorzystać również w innych systemach.

Procesy kwantowe muszą być badane w systemach zbierania światła, które zachodzą w strukturze znanej jako kompleks Fenna-Matthews-Olson lub FMO, ogromnym białku pigmentowym, które jest częścią maszynerii zbierającej światło w zielonych bakteriach siarkowych. W tych strukturach białkowych osadzone są centra reakcji, które przekształcają energię światła w energię chemiczną.

Kiedy światło uderza w kompleks FMO, energia musi podróżować przez macierz białkową, aż dotrze do centrum reakcji. I co zdumiewające, transfer ten odbywa się z wydajnością prawie 100 procent.

To zagadkowe, ponieważ jedynym sposobem, aby energia świetlna znalazła centrum reakcji, jest losowe odbijanie się przez sieć białek, jak odbijająca się rykoszetem kula bilardowa. Proces ten trwałby zbyt długo, znacznie dłużej niż mniej więcej nanosekunda, zanim energia świetlna rozproszy się w środowisku i zostanie utracona.

Tak więc proces przekazywania energii nie może przebiegać klasycznie w ten sposób. Zamiast tego fizycy zebrali różne dowody pokazujące, że transfer energii jest procesem kwantowym.

Myślenie przebiega tak. Ponieważ energia może istnieć w superpozycji stanów, może jednocześnie podróżować po sieci różnymi trasami. A kiedy znajdzie właściwy cel, superpozycja zapada się, pozostawiając energię w centrum reakcji. Rezultatem jest prawie doskonały transfer energii.

Ale Vattaya i Kauffman twierdzą, że ten rodzaj czystego procesu kwantowego również nie może być odpowiedzialny. Dzieje się tak, ponieważ wiele procesów kwantowych spowalnia ruch obiektów kwantowych przez losowe sieci, takie jak ta. Mówią, że mechanika kwantowa ma również negatywne skutki.

Jedna z tych imprezowiczów znana jest jako lokalizacja Andersona, zjawisko, które zapobiega rozprzestrzenianiu się stanów kwantowych w przypadkowych mediach. Ponieważ stan kwantowy działa jak fala, jest podatny na efekty interferencyjne, które uniemożliwiają jego propagację w losowej sieci.

Innym jest kwantowy efekt zeno, paradoksalne zjawisko, w którym niestabilny stan nigdy się nie zmienia, jeśli jest stale obserwowany. Dzieje się tak, ponieważ oglądanie obejmuje szereg pomiarów, które nieustannie podnoszą stan, zapobiegając jego załamaniu. To kwantowa wersja efektu obserwowanego garnka nigdy nie gotuje się.

Podobnie dzieje się ze stanem kwantowym energii podczas zbierania światła. Ten stan kwantowy nieuchronnie wejdzie w interakcję ze środowiskiem, ale te interakcje działają jak pomiary. Wywołuje to kwantowy efekt zenopodobny, który zapobiega załamywaniu się stanu w centrum reakcji. Zatem transfer energii nie może odbywać się w ten sposób, mówią Vattaya i Kauffman.

Zamiast tego proponują nowy proces, w którym mechanizm wyszukiwania kwantowego i interakcja z otoczeniem łączą się, aby przezwyciężyć lokalizację Andersona. Mówią, że to wzajemne oddziaływanie między tymi procesami dostarcza energię do ośrodka reakcji w optymalny sposób.

Chodzi o to, że interakcja z otoczeniem zmienia falową naturę stanu kwantowego na tyle, aby zapobiec lokalizacji Andersona. Jednocześnie kwantowy efekt zeno wydłuża czas życia stanu kwantowego, umożliwiając mu znalezienie drogi do centrum reakcji. To właśnie ta wzajemna zależność między światem kwantowym i klasycznym umożliwia transfer energii.

To wyjaśnia kwantowe zachowanie procesów zbierania światła w temperaturze pokojowej. Ale Vattaya i Kauffman twierdzą, że pomysł ma inne ważne implikacje. Problem znalezienia centrum reakcji w matrycy białkowej jest formalnie równoważny wielu innym problemom obliczeniowym. Powinno więc być możliwe przekształcenie zbierania światła w zadanie obliczeniowe poprzez mapowanie jednego problemu na drugi.

Mogłoby to radykalnie poprawić szybkości obliczeniowe w temperaturze pokojowej. Komputery oparte na kompleksach do zbierania sztucznego światła mogą mieć jednostki o 100-1000 razy większej wydajności w temperaturze pokojowej, twierdzą Vattaya i Kauffman.

Co więcej, tego rodzaju obliczenia mogą już działać w naturze. Ponieważ realizacja tego mechanizmu wydaje się obecnie stosunkowo łatwa, ważnym pytaniem jest, czy został on zrealizowany w systemach zbierania światła, czy też jest obecny w innych procesach transportu biologicznego lub optymalizacji. Zwłaszcza w ludzkim mózgu, mówią.

Jeśli mają rację, ten nowy rodzaj obliczeń może w krótkim czasie wywołać falę zainteresowania.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1311.4688 : Projekt ewolucyjny w biologicznych obliczeniach kwantowych

ukryć