Natuurkundigen van de Universiteit van Warwick hebben een nieuwe test ontwikkeld om te zien waar het vermogen om de kracht van de kwantummechanica te benutten in de natuur is geëvolueerd.

De test identificeert een veelbetekenend kenmerk van kwantumcoherentie, classificatie van de eigenschappen van deeltjes in een kwantumtoestand die interageren met een echte omgeving. De test moet wetenschappers in staat stellen om kwantumcoherentie in de natuurlijke wereld te kwantificeren en te volgen met behulp van laboratoriumexperimenten.

Deze week gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling A , het theoretische werk zou kunnen leiden tot experimenten die helpen bij het oplossen van het debat over de vraag of biologische processen de kwantummechanica in hun voordeel uitbuiten, en of evolutie ons een sjabloon zou kunnen bieden voor kwantumtechnologieën zoals computers, sensoren en energiebronnen.

Microscopische deeltjes in een kwantumtoestand zijn erg moeilijk te herkennen, omdat het observeren ervan hun toestand verandert. Deze onopvallende deeltjes kunnen tegelijkertijd op veel locaties of configuraties voorkomen, een functie die bekend staat als kwantumcoherentie.

Het effect ondersteunt technologieën zoals kwantumcomputers, kwantumsensoren en kwantumcommunicatiesystemen, die geordende systemen gebruiken die geïsoleerd zijn van de rest van de wereld. Echter, of kwantumcoherentie bestaat in de luidruchtigere en rommeligere echte wereld is moeilijker te identificeren.

De test omvat een procedure om de kwantumcoherentie te vernietigen, en vervolgens om de verandering in latere metingen te observeren. Waar een meetbaar grote impact wordt waargenomen, wetenschappers kunnen aantonen dat er kwantumcoherentie in het systeem moet zijn geweest. Het nieuwe werk verduidelijkt de mogelijke uitzonderingen op deze conclusie, die afhangen van hoe snel de speciale procedure de samenhang kan vernietigen.

Dr. George Knee, 1851 Royal Commission Research Fellow van de afdeling Natuurkunde van de universiteit, zei:"Het aantonen van de aanwezigheid van kwantumcoherentie in een biologisch systeem zou een paradigmaverschuiving betekenen, weg van het idee dat alleen mensen het vermogen hebben om systemen te ontwikkelen die kwantumcoherentie kunnen vertonen en exploiteren. Het zou ook een stap zijn in de richting van het gedachte-experiment van Schroedinger's Cat, waar een levend organisme wordt geplaatst in een staat waarin het zich bevindt, kwantum coherent, zowel dood als levend."

Co-auteur Dr. Animesh Datta zei:"De resultaten van deze test zullen waardevol zijn bij het verbeteren van ons begrip van hoe chemie en biologie werken, en kan ons in staat stellen om de vraag te beantwoorden of de kwantumfysica een rol heeft gespeeld in evolutionaire processen."

Volgens de kwantumfysica, een deeltje, zoals een die energie draagt ​​in een fotosynthetisch organisme, kan langs meerdere verschillende paden reizen tussen een invoer en een uitvoer. De energie die door het deeltje wordt gedragen, kan op elk moment verloren gaan nadat het is gemaakt. Mocht het deeltje sneller naar zijn bestemming gaan, er is een kleinere kans op verlies en er kan een grotere efficiëntie worden bereikt.

Coherentie zorgt voor interferentie tussen de twee paden, waardoor het deeltje gemiddeld verder kan reizen dan het anders zou kunnen in dezelfde tijdsperiode. Dit suggereert dat kwantumeffecten een evolutionair voordeel hebben gegeven aan die organismen die zijn aangepast om ze te exploiteren.

Dr. Knee voegde toe:"De mogelijkheden zijn verleidelijk:als onze voorgestelde test zou zijn uitgevoerd in een biologisch systeem, en gaf een positief resultaat, we kunnen misschien de ontwerpprincipes van kwantumtechniek uit de natuur leren. We zouden dan kunnen proberen biomimetische technologieën te creëren die robuuster en misschien zelfs krachtiger zijn dan de huidige generatie kwantumtechnologieën, die bijna uitsluitend gebaseerd zijn op sterk geïsoleerde systemen. Als we het oogsten van kunstlicht zouden kunnen stimuleren, zoals in een zonnecel bijvoorbeeld, zou er een enorm potentieel zijn voor het verstrekken van betaalbare, hernieuwbare energie."