Eksperiment viser kvantemekaniske virkninger fra biologiske systemer

For næsten 75 år siden, Nobelprisvindende fysiker Erwin Schrödinger spekulerede på, om kvantemekanikkens mystiske verden spillede en rolle i biologien. En nylig konstatering fra Northwestern Universitys Prem Kumar tilføjer yderligere beviser for, at svaret kan være ja.

Kumar og hans team har, for første gang, skabt kvanteindvikling fra et biologisk system. Dette fund kan fremme forskernes grundlæggende forståelse af biologi og potentielt åbne døre for at udnytte biologiske værktøjer til at muliggøre nye funktioner ved at udnytte kvantemekanik.

"Kan vi anvende kvanteværktøjer til at lære om biologi?" sagde Kumar, professor i elektroteknik og datalogi i Northwestern's McCormick School of Engineering og i fysik og astronomi i Weinberg College of Arts and Sciences. "Folk har stillet dette spørgsmål for mange, mange år - der går tilbage til begyndelsen af ​​kvantemekanikken. Grunden til, at vi er interesserede i disse nye kvantetilstande, er fordi de tillader applikationer, der ellers er umulige. "

Delvist støttet af Defense Advanced Research Projects Agency, forskningen blev offentliggjort 5. december i Naturkommunikation .

Quantum entanglement er et af kvantemekanikkens mest mystificerende fænomener. Når to partikler - såsom atomer, fotoner, eller elektroner - er sammenfiltrede, de oplever en uforklarlig forbindelse, der opretholdes, selvom partiklerne er på modsatte sider af universet. Mens indviklet, partiklernes adfærd er bundet til hinanden. Hvis der findes en partikel, der snurrer i en retning, for eksempel, derefter ændrer den anden partikel øjeblikkeligt sit spin på en tilsvarende måde dikteret af sammenfiltringen. Forskere, herunder Kumar, har været interesseret i at udnytte kvanteindvikling til flere applikationer, herunder kvantekommunikation. Fordi partiklerne kan kommunikere uden ledninger eller kabler, de kunne bruges til at sende sikre beskeder eller hjælpe med at opbygge et ekstremt hurtigt "kvante -internet".

"Forskere har forsøgt at forvirre et større og større sæt atomer eller fotoner for at udvikle substrater, hvorpå de kan designe og bygge en kvantemaskine, "Sagde Kumar." Mit laboratorium spørger, om vi kan bygge disse maskiner på et biologisk underlag. "

I undersøgelsen, Kumars team brugte grønne fluorescerende proteiner, som er ansvarlige for bioluminescens og almindeligt anvendt i biomedicinsk forskning. Teamet forsøgte at sammenfiltre fotoner genereret fra de fluorescerende molekyler i algernes tøndeformede proteinstruktur ved at udsætte dem for spontan blanding af fire bølger, en proces, hvor flere bølgelængder interagerer med hinanden for at producere nye bølgelængder.

Gennem en række af disse eksperimenter, Kumar og hans team viste med succes en form for sammenfiltring, kaldet polarisationsindvikling, mellem fotonpar. Den samme funktion bruges til at lave briller til visning af 3D -film, polarisering er orienteringen af ​​svingninger i lysbølger. En bølge kan svinge lodret, vandret, eller i forskellige vinkler. I Kumars sammenfiltrede par, fotonernes polarisationer er sammenfiltrede, hvilket betyder, at lysbølgernes oscillationsretninger er forbundet. Kumar bemærkede også, at den tøndeformede struktur, der omgiver fluorescerende molekyler, beskytter sammenfiltringen mod at blive forstyrret.

"Da jeg målte den lodrette polarisering af en partikel, vi vidste, at det ville være det samme i den anden, "sagde han." Hvis vi målte den vandrette polarisering af en partikel, vi kunne forudsige den vandrette polarisering i den anden partikel. Vi skabte en sammenfiltret tilstand, der korrelerede i alle muligheder samtidigt. "

Nu hvor de har demonstreret, at det er muligt at skabe kvanteindvikling fra biologiske partikler, næste planlægger Kumar og hans team at lave et biologisk substrat af sammenfiltrede partikler, som kunne bruges til at bygge en kvantemaskine. Derefter, de vil søge at forstå, om et biologisk substrat virker mere effektivt end et syntetisk.