Fordelene ved kvanteeffekter for biologiske, sociale og teknologiske netværk

Effektivitet i naturens biomolekylære processer, såsom fotosyntese, forklares ikke helt af konventionel teori. Det EU-finansierede PAPETS-projekt undersøgte kvanteeffekter for bedre at forstå disse processer, for nylig førte til yderligere indsigt i mulighederne for kvanteberegning.

Indtil relativt for nylig blev det antaget, at den mærkelige opførsel af enheder rapporteret fra kvantefysik, manifesterede sig hovedsageligt på det submikroskopiske niveau. Imidlertid, i løbet af de sidste par år, der er blevet stillet spørgsmål om kvanteadfærdens rolle i mere hverdag, makroskopiske biologiske processer. Det EU-finansierede PAPETS projekterer tidligere arbejde med sådanne biologiske fænomener, hovedsageligt i fotosyntese og olfaktion, har givet næring til disse seneste fund.

To kvanteeffekter kan forklare biologiske processer, som har forsket noget forskelligt, nemlig:evnen til at eksistere flere steder på samme tid (superposition), sammen med at være i stand til øjeblikkeligt at forsvinde, og derefter dukke op igen et helt andet sted.

Kvantelabyrinten

Forskere trækker på arbejde udført som en del af PAPETS -projektet, forklare i journalen Fysisk gennemgangsbreve hvordan de for nylig formåede at udnytte midlertidighed til kvanteberegningsopgaver udført på dynamiske tilfældige netværk. For at teste kvanteberegningens begrænsninger, holdet studerede en rumlig søgealgoritme ved hjælp af kvanteinformation, at finde en markeret knude på et tilfældigt tidsmæssigt netværk.

Forfatterne påpeger, at det allerede var blevet påvist, at kvanteberegning ville tilbyde en hastighedsfordel i søgeopgaver inden for netværk over en vis tærskel for nodalforbindelse. Imidlertid, de fandt også ud af, at under denne grænse for forbindelser, kvantefordelen ikke længere holdt.

I undersøgelsen randomiserede forskerne løbende det faktiske arrangement af netværket, hvor antallet af forbindelser også ændres, samtidig med at antallet af noder er konstant. De fandt ud af, at uanset graden af ​​forbindelse, kvantesøgningsalgoritmen altid fundet, hvad de omtaler som '' en frekvens '' til frembringelse af nye netværksarrangementer for at finde den markerede knude. Interessant nok, teamet opdagede, at selv når de pålagde en bias, hvilket resulterede i en meget lav forbindelse af noder, med mange noder isoleret fra resten af ​​netværket, algoritmen skabte nye netværksarrangementer hurtigere for at kompensere.

Forskernes resultater var i modstrid med forventningen om, at når man forsøger at finde en markeret knude i et netværk, om det er socialt, naturlig eller teknologisk, kvantesøgningsalgoritmen ville kæmpe med netværkets stadigt skiftende karakter (tabe og få links over tid). Faktisk, de viser, at denne tidsmæssige funktion kan bruges som en kontrol for beregningens ydeevne. Mens teamet forventer, at deres arbejde vil gavne kvanteinformationsteknologier, til kommunikation og beregning, det bidrager også til forståelsen af ​​biologiske processer.

Når kvanteeffekter møder biologi

Projektet PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) er nu slut. Det blev oprettet for at undersøge, hvordan elektronisk og vibrationsdynamik, specifikt fononassisterede mekanismer, spiller en central rolle i strukturen og funktionen af ​​biomolekylære systemer. Projektet undersøgte den rolle, som kvanteeffekter kan spille for at gøre plantefotosyntese så effektiv som den er, ved at lade de energibærende excitoner udforske forskellige stier i bladet samtidigt, at finde den mest effektive vej til målbrændstofmolekylerne. Resultaterne bidrager til bestræbelser på at designe bedre solceller.

Derudover undersøgelsen undersøgte den måde, hvorpå kvanteeffekter kan hjælpe olfaktorisk evnen til at genkende lugte fra molekyler, gennem en proces kendt som 'kvantetunneling', som hjælper et lugtmolekyle med at forene sig med en receptor. Denne forståelse giver mulighed for at udvikle teknologier til lugtfornemmelse, som kan for eksempel, opdage farer i mad eller vand.