Bijna 75 jaar geleden, Nobelprijswinnaar natuurkundige Erwin Schrödinger vroeg zich af of de mysterieuze wereld van de kwantummechanica een rol speelde in de biologie. Een recente bevinding van Prem Kumar van de Northwestern University voegt verder bewijs toe dat het antwoord ja zou kunnen zijn.

Kumar en zijn team hebben, Voor de eerste keer, kwantumverstrengeling gecreëerd vanuit een biologisch systeem. Deze bevinding zou het fundamentele begrip van wetenschappers van de biologie kunnen vergroten en mogelijk deuren kunnen openen om biologische hulpmiddelen te exploiteren om nieuwe functies mogelijk te maken door gebruik te maken van de kwantummechanica.

"Kunnen we kwantumhulpmiddelen toepassen om over biologie te leren?" zei Kumar, hoogleraar elektrotechniek en informatica aan de McCormick School of Engineering van Northwestern en natuurkunde en astronomie aan het Weinberg College of Arts and Sciences. "Mensen hebben deze vraag voor velen gesteld, vele jaren - die teruggaat tot het begin van de kwantummechanica. De reden dat we geïnteresseerd zijn in deze nieuwe kwantumtoestanden is omdat ze toepassingen mogelijk maken die anders onmogelijk zijn."

Gedeeltelijk ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency, het onderzoek werd op 5 december gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Kwantumverstrengeling is een van de meest raadselachtige fenomenen van de kwantummechanica. Wanneer twee deeltjes, zoals atomen, fotonen, of elektronen - zijn verstrengeld, ze ervaren een onverklaarbare link die in stand blijft, zelfs als de deeltjes zich aan weerszijden van het universum bevinden. Terwijl verstrikt, het gedrag van de deeltjes is met elkaar verbonden. Als een deeltje in één richting draait, bijvoorbeeld, dan verandert het andere deeltje ogenblikkelijk zijn spin op een overeenkomstige manier die wordt voorgeschreven door de verstrengeling. onderzoekers, inclusief Kumar, zijn geïnteresseerd in het benutten van kwantumverstrengeling voor verschillende toepassingen, inclusief kwantumcommunicatie. Omdat de deeltjes kunnen communiceren zonder draden of kabels, ze kunnen worden gebruikt om beveiligde berichten te verzenden of om een ​​extreem snel 'kwantuminternet' te bouwen.

"Onderzoekers hebben geprobeerd een steeds grotere set atomen of fotonen te verstrengelen om substraten te ontwikkelen waarop een kwantummachine kan worden ontworpen en gebouwd. " zei Kumar. "Mijn laboratorium vraagt ​​of we deze machines op een biologisch substraat kunnen bouwen."

In de studie, Kumars team gebruikte groene fluorescerende eiwitten, die verantwoordelijk zijn voor bioluminescentie en die vaak worden gebruikt in biomedisch onderzoek. Het team probeerde de fotonen die werden gegenereerd door de fluorescerende moleculen te verstrengelen in de tonvormige eiwitstructuur van de algen door ze bloot te stellen aan spontane viergolfmenging, een proces waarbij meerdere golflengten met elkaar interageren om nieuwe golflengten te produceren.

Door een reeks van deze experimenten, Kumar en zijn team hebben met succes een soort verstrengeling aangetoond, polarisatieverstrengeling genoemd, tussen fotonparen. Dezelfde functie die werd gebruikt om een ​​bril te maken voor het bekijken van 3D-films, polarisatie is de oriëntatie van oscillaties in lichtgolven. Een golf kan verticaal oscilleren, horizontaal, of onder verschillende hoeken. In Kumar's verstrengelde paren, de polarisaties van de fotonen zijn verstrengeld, wat betekent dat de oscillatierichtingen van lichtgolven met elkaar verbonden zijn. Kumar merkte ook op dat de tonvormige structuur rond de fluorescerende moleculen de verstrengeling beschermde tegen verstoring.

"Toen ik de verticale polarisatie van één deeltje meet, we wisten dat het hetzelfde zou zijn in de andere, " zei hij. "Als we de horizontale polarisatie van één deeltje zouden meten, we konden de horizontale polarisatie in het andere deeltje voorspellen. We creëerden een verstrengelde staat die in alle mogelijkheden tegelijk correleerde."

Nu ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om kwantumverstrengeling te creëren uit biologische deeltjes, volgende Kumar en zijn team zijn van plan om een ​​biologisch substraat te maken van verstrengelde deeltjes, waarmee een kwantummachine kan worden gebouwd. Vervolgens, ze zullen proberen te begrijpen of een biologisch substraat efficiënter werkt dan een synthetisch substraat.