Jeszcze do niedawna uważano, że niezwykłe zachowanie obiektów opisywane w fizyce kwantowej występuje wyłącznie na poziomie submikroskopowym. Jednakże od kilku lat uczeni dociekają, czy zachowania kwantowe nie przejawiają się w bardziej codziennych, makroskopowych procesach biologicznych. Prace nad tego rodzaju zjawiskami biologicznymi, szczególnie w fotosyntezie i zmyśle węchu, przeprowadzone wcześniej w unijnym projekcie PAPETS, przyczyniły się do powstania nowych ustaleń w tej dziedzinie.
Dwa zjawiska kwantowe mogą tłumaczyć procesy biologiczne, które są pewną zagadką dla naukowców, a mianowicie: zdolność do istnienia w kilku miejscach naraz (superpozycja) oraz zdolność do natychmiastowego znikania, a następnie pojawienia się w zupełnie innym miejscu.
Kwantowa zagadka
Naukowcy czerpiący z prac przeprowadzonych w ramach projektu PAPETS opisują na łamach czasopisma
„Physical Review Letters”, w jaki sposób udało im się niedawno wykorzystać „czasowość” do zadań związanych z obliczeniami kwantowymi wykonywanymi w dynamicznych sieciach losowych. Aby przetestować ograniczenia obliczeń kwantowych, zespół zbadał algorytm wyszukiwania przestrzennego z wykorzystaniem informacji kwantowych, starając się znaleźć zaznaczony węzeł w losowej sieci czasowej.
Autorzy badania podkreślają, że już wcześniej dowiedziono, iż obliczenia kwantowe pozwoliłyby przyspieszyć zadania wyszukiwania w sieciach powyżej pewnej wartości progowej połączeń węzłowych. Ustalili jednak również, że poniżej tego progu połączeń przewaga kwantowa już nie występuje.
W badaniu uczeni przeprowadzali ciągłą randomizację rzeczywistego układu sieci, przy czym liczba połączeń zmieniała się, a liczba węzłów pozostawała taka sama. Badacze stwierdzili, że bez względu na stopień połączenia, kwantowy algorytm wyszukiwania zawsze znajdował, jak to określają, „częstotliwość” generowania nowych układów sieci, aby znaleźć zaznaczony węzeł. Co ciekawe, zespół odkrył, że nawet po wprowadzeniu nierównowagi skutkującej bardzo niskim stopniem połączenia węzłów (gdzie wiele węzłów jest odizolowanych od pozostałej części sieci) algorytm tworzył nowe układy sieci w szybszym tempie, aby zrekompensować małą liczbę połączeń.
Otrzymane wyniki były sprzeczne z tym, czego spodziewali się naukowcy: a mianowicie, że próbując znaleźć zaznaczony węzeł w sieci (czy to społecznej, naturalnej czy technologicznej) algorytm wyszukiwania kwantowego miałby trudności z nieustannie zmieniającym się charakterem sieci (utratą i zyskiwaniem połączeń na przestrzeni czasu). W rzeczywistości tę „czasową” cechę można wykorzystać do kontrolowania wydajności obliczeń. Choć w zamierzeniu badaczy prace te mają wnieść wkład w rozwój technologii informacyjnych – w dziedzinie komunikacji i obliczeń – to przyczyniają się one jednocześnie do zrozumienia procesów biologicznych.
Kiedy zjawiska kwantowe spotykają się z biologią
Projekt PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) został już zakończony. Jego założeniem było zbadanie kluczowego znaczenia dynamiki elektronów i drgań, w tym w szczególności mechanizmów wspomaganych przez fonony, dla struktury i działania systemów biomolekularnych. Uczestnicy projektu przeanalizowali rolę, jaką zjawiska kwantowe mogą odgrywać w usprawnieniu fotosyntezy roślin, polegającą na umożliwieniu transportującym energię ekscytonom eksplorowania kilku różnych ścieżek w liściu jednocześnie, tak by znaleźć najlepszą trasę wiodącą do docelowych cząsteczek. Rezultaty tych prac mogą zostać wykorzystane do budowy lepszych ogniw słonecznych.
Ponadto uczeni badali, w jaki sposób zjawiska kwantowe pomagają w rozpoznawaniu zapachów przenoszonych przez cząsteczki, za pośrednictwem procesu nazywanego „tunelowaniem kwantowym”, który pomaga cząsteczce zapachowej związać się z receptorem. Wiedza ta daje nadzieję na opracowanie technologii detekcji zapachów, które pozwoliłyby na przykład na wykrywanie skażonej żywności czy wody.
Więcej informacji:
strona projektu w serwisie CORDIS
poleca:
