Efficiëntie in de biomoleculaire processen van de natuur, zoals fotosynthese, wordt niet volledig verklaard door de conventionele theorie. Het door de EU gefinancierde PAPETS-project onderzocht kwantumeffecten om deze processen beter te begrijpen, recentelijk geleid tot verdere inzichten in de mogelijkheden voor kwantumberekening.

Tot relatief recent werd gedacht dat het vreemde gedrag van entiteiten gerapporteerd uit de kwantumfysica, manifesteerde zich vooral op submicroscopisch niveau. Echter, de afgelopen jaren, er zijn vragen gesteld over de rol van kwantumgedrag in meer alledaagse, macroscopische biologische processen. Het door de EU gefinancierde PAPETS-project heeft eerdere werkzaamheden aan een dergelijk biologisch fenomeen, voornamelijk in fotosynthese en reuk, heeft bijgedragen aan deze recente bevindingen.

Twee kwantumeffecten kunnen biologische processen verklaren die onderzoekers enigszins in verwarring hebben gebracht, namelijk:het vermogen om op meerdere locaties tegelijk te bestaan ​​(superpositie), samen met het onmiddellijk kunnen verdwijnen, en dan weer op een heel andere plaats verschijnen.

Het kwantumdoolhof

Onderzoekers die putten uit werk dat is uitgevoerd in het kader van het PAPETS-project, uitleggen in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven hoe ze er onlangs in zijn geslaagd om tijdelijkheid te benutten voor kwantumberekeningstaken die worden uitgevoerd op dynamische willekeurige netwerken. Om de beperkingen van kwantumberekening te testen, het team bestudeerde een ruimtelijk zoekalgoritme met behulp van kwantuminformatie, om een ​​gemarkeerd knooppunt op een willekeurig tijdelijk netwerk te vinden.

De auteurs wijzen erop dat al was aangetoond dat kwantumberekening een snelheidsvoordeel zou bieden bij zoektaken binnen netwerken boven een bepaalde drempel van nodale connectiviteit. Echter, ze ontdekten ook dat onder deze drempel van verbindingen, het kwantumvoordeel hield niet langer stand.

In het onderzoek randomiseerden de onderzoekers voortdurend de feitelijke opstelling van het netwerk, met het aantal verbindingen dat ook verandert, terwijl het aantal knooppunten constant blijft. Ze ontdekten dat, ongeacht de mate van connectiviteit, het kwantumzoekalgoritme altijd gevonden, wat ze noemen, 'een frequentie' voor het genereren van nieuwe netwerkarrangementen, om het gemarkeerde knooppunt te vinden. interessant, het team ontdekte dat zelfs wanneer ze een vooroordeel oplegden wat resulteerde in een zeer lage connectiviteit van knooppunten, met veel knooppunten geïsoleerd van de rest van het netwerk, het algoritme creëerde nieuwe netwerkarrangementen in een sneller tempo om te compenseren.

De resultaten van de onderzoekers waren in tegenspraak met de verwachting dat bij het zoeken naar een gemarkeerd knooppunt in een netwerk, of het nu sociaal is, natuurlijk of technologisch, het kwantumzoekalgoritme zou worstelen met de steeds veranderende aard van het netwerk (links verliezen en krijgen in de loop van de tijd). In feite, ze tonen aan dat deze tijdelijke functie kan worden gebruikt als een controle voor de prestaties van de berekening. Hoewel het team verwacht dat hun werk de kwantuminformatietechnologieën ten goede zal komen, voor communicatie en rekenen, het draagt ​​ook bij aan het begrijpen van biologische processen.

Wanneer kwantumeffecten de biologie ontmoeten

Het PAPETS-project (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) is nu afgelopen. Het is opgezet om te onderzoeken hoe elektronische en vibrationele dynamiek, specifiek fonon-ondersteunde mechanismen, speelt een sleutelrol in de structuur en functie van biomoleculaire systemen. Het project onderzocht de rol die kwantumeffecten kunnen spelen om de fotosynthese van planten zo efficiënt te maken als het is, door de energiedragende excitonen tegelijkertijd verschillende paden in het blad te laten verkennen, het vinden van de meest efficiënte route naar de doelbrandstofmoleculen. De resultaten dragen bij aan het ontwerpen van betere zonnecellen.

Aanvullend, de studie keek naar de manier waarop kwantumeffecten het reukvermogen kunnen helpen om geuren van moleculen te herkennen, via een proces dat bekend staat als 'quantum tunneling', die helpt een geurmolecuul te verenigen met een receptor. Dit inzicht biedt uitzicht op de ontwikkeling van technologieën voor geurdetectie die, bijvoorbeeld, gevaren in voedsel of water detecteren.