Opdagelse af naturens egen udvikling af kvantetricks kunne transformere kvanteteknologi

En ny test for at få øje på, hvor evnen til at udnytte kvantemekanikkens kraft har udviklet sig i naturen er blevet udviklet af fysikere ved University of Warwick.

Testen identificerer et kendetegn ved kvantesammenhæng, klassificere egenskaberne af partikler i en kvantetilstand, der interagerer med et virkeligt miljø. Testen skal give forskere mulighed for at kvantificere og spore kvantesammenhæng i den naturlige verden ved hjælp af laboratorieforsøg.

Udgivet i denne uge i tidsskriftet Fysisk gennemgang A , det teoretiske arbejde kan føre til eksperimenter, der hjælper med at løse debatten om, hvorvidt biologiske processer udnytter kvantemekanik til deres fordel, og om evolution kan give os en skabelon til kvanteteknologier som computere, sensorer og energikilder.

Mikroskopiske partikler i en kvantetilstand er meget vanskelige at få øje på, da handlingen med at observere dem ændrer deres tilstand. Disse snigende partikler kan eksistere mange steder eller konfigurationer samtidigt, et træk kendt som kvantesammenhæng.

Effekten understøtter teknologier såsom kvantecomputere, kvantesensorer og kvantekommunikationssystemer, som bruger ordnede systemer isoleret fra resten af ​​verden. Imidlertid, om kvantesammenhæng eksisterer i den mere larmende og rodede virkelige verden, er vanskeligere at identificere.

Testen involverer en procedure til at ødelægge kvantesammenhæng, og derefter for at observere ændringen i senere målinger. Hvor der observeres en målbart stor indvirkning, forskere kan demonstrere, at der må have været kvantesammenhæng i systemet. Det nye arbejde præciserer de mulige undtagelser fra denne konklusion, som afhænger af hvor hurtigt den særlige procedure kan ødelægge sammenhængen.

Dr. George Knee, 1851 Royal Commission Research Fellow fra University's Department of Physics, sagde:"At demonstrere tilstedeværelsen af ​​kvantesammenhæng i et biologisk system ville udgøre et paradigmeskift, væk fra tanken om, at kun mennesker har evnen til at konstruere systemer, der er i stand til at udvise og udnytte kvantesammenhæng. Det ville også være et skridt i retning af Schroedinger's Cat tankeeksperiment, hvor en levende organisme er placeret i en tilstand, hvor den er, kvante sammenhængende, både døde og levende. "

Medforfatter Dr. Animesh Datta sagde:"Resultaterne fra denne test vil være værdifulde til at forbedre vores forståelse af, hvordan kemi og biologi fungerer, og kan give os mulighed for at besvare spørgsmålet om, hvorvidt kvantefysik har spillet en rolle i evolutionære processer. "

Ifølge kvantefysik, en partikel, såsom en, der bærer energi i en fotosyntetisk organisme, kan rejse ad flere forskellige veje mellem en input og en output. Energien, der bæres af partiklen, kan gå tabt når som helst, efter at den er skabt. Skulle partiklen hurtigere bevæge sig mod sin destination, der er en lavere chance for tab, og større effektivitet kan opnås.

Sammenhæng giver mulighed for interferens mellem de to veje, tillader partiklen at rejse længere i gennemsnit, end den ellers kunne i samme tidsperiode. Dette tyder på, at kvanteeffekter kan have givet en evolutionær fordel til de organismer, der er tilpasset til at udnytte dem.

Dr. Knee tilføjede:"Mulighederne er spændende:hvis vores foreslåede test blev udført i et biologisk system, og gav et positivt resultat, vi kan muligvis lære principper for kvanteteknisk design fra naturen. Vi kunne derefter forsøge at skabe biomimetiske teknologier, der er mere robuste og måske endda mere kraftfulde end den nuværende generation af kvanteteknologier, som næsten udelukkende er baseret på stærkt isolerede systemer. Hvis vi kunne turbolade kunstig lyshøst, som f.eks. i en solcelle, der ville være et stort potentiale for at levere overkommelige, vedvarende energi."