Kvantu gaismas ieguves padomi par pilnīgi jaunu skaitļošanas veidu

Fiziķi jau sen ir zinājuši, ka augi un baktērijas pārvērš gaismu ķīmiskajā enerģijā ļoti efektīvi. Bet tikai pēdējos gados viņi ir atklājuši, ka šī procesa molekulārās mašīnas paļaujas uz kvantu mehāniku, lai veiktu darbu.

Tas ir liels pārsteigums iesaistīto temperatūru dēļ. Kvantu stāvokļi ir ļoti trausli — šķaudiet un tie pazūd dūmu dvesmā. Fiziķi var kādu laiku uzturēt šos stāvokļus rūpīgi kontrolētā vidē zemā temperatūrā, taču neviens nevar izskaidrot, kā tas var būt iespējams siltā, mitrā vidē dzīvo būtņu iekšienē.

Šodien Gabor Vattay no Eotvos universitātes Budapeštā un Stjuarts Kaufmans no Vērmontas universitātes Bērlingtonā ir atbildējis. Viņi saka, ka gaismas novākšanas procesi ir īpašs kvantu un klasiskā sajaukums. Un ka šis smalkais sajaukums ir pilnīgi jauns skaitļošanas veids, ko daba varētu izmantot arī citās sistēmās.

Kvantu procesi ir jāpēta gaismas savākšanas sistēmās, kas notiek struktūrā, kas pazīstama kā Fenna-Matthews-Olson vai FMO komplekss, milzīgs pigmenta proteīns, kas ir daļa no zaļās sēra baktēriju gaismas savākšanas iekārtas. Šajās olbaltumvielu struktūrās ir iestrādāti reakciju centri, kas pārvērš gaismas enerģiju ķīmiskajā enerģijā.

Kad gaisma sasniedz FMO kompleksu, enerģijai jāpārvietojas pa proteīna matricu, līdz tā sasniedz reakcijas centru. Un pārsteidzoši, šī pārsūtīšana notiek ar gandrīz 100 procentu efektivitāti.

Tas ir mulsinoši, jo vienīgais veids, kā gaismas enerģija var atrast reakcijas centru, ir nejauši izlēkt cauri proteīnu tīklam, piemēram, rikošetā biljarda bumbiņai. Šis process aizņemtu pārāk ilgu laiku, daudz ilgāk nekā nanosekunde, kas nepieciešama, lai gaismas enerģija izkliedētu vidē un pazustu.

Tātad enerģijas pārneses process nevar notikt klasiski šādā veidā. Tā vietā fiziķi ir savākuši dažādus pierādījumus, kas liecina, ka enerģijas pārnešana ir kvantu process.

Domāšana notiek šādi. Tā kā enerģija var pastāvēt stāvokļu superpozīcijā, tā vienlaikus var pārvietoties dažādos maršrutos pa tīklu. Un, kad tā atrod pareizo galamērķi, superpozīcija sabrūk, atstājot enerģiju reakcijas centrā. Rezultāts ir gandrīz ideāla enerģijas pārnešana.

Bet Vatay un Kauffman saka, ka šāds tīrs kvantu process arī nevar būt atbildīgs. Tas ir tāpēc, ka vairāki kvantu procesi palēnina kvantu objektu kustību caur nejaušiem tīkliem, piemēram, šis. Viņi saka, ka kvantu mehānikai ir arī nelabvēlīga ietekme.

Viens no šiem ballīšu rīkotājiem ir pazīstams kā Andersona lokalizācija — parādība, kas novērš kvantu stāvokļu izplatīšanos nejaušos plašsaziņas līdzekļos. Tā kā kvantu stāvoklis darbojas kā vilnis, tas ir neaizsargāts pret traucējumu efektiem, kas neļauj tam izplatīties nejaušā tīklā.

Vēl viens ir kvantu zeno efekts, paradoksāla parādība, kurā nestabils stāvoklis nekad nemainās, ja to nepārtraukti vēro. Tas ir tāpēc, ka skatīšanās ir saistīta ar nopietniem mērījumiem, kas pastāvīgi ietekmē stāvokli, neļaujot tam sabrukt. Šī ir efekta noskatītais katls nekad nevārās kvantu versija.

Līdzīgi notiek ar enerģijas kvantu stāvokli gaismas novākšanas laikā. Šis kvantu stāvoklis neizbēgami mijiedarbosies ar vidi, taču šīs mijiedarbības darbojas kā mērījumi. Tas izraisa kvantu zeno līdzīgu efektu, kas neļauj stāvoklim sabrukt reakcijas centrā. Tātad enerģijas pārnešana nevar notikt šādā veidā, saka Vatay un Kauffman.

Tā vietā viņi ierosina jaunu procesu, kurā kvantu meklēšanas mehānisms un mijiedarbība ar vidi tiek apvienoti, lai pārvarētu Andersona lokalizāciju. Viņi saka, ka mijiedarbība starp šiem procesiem optimālā veidā piegādā enerģiju reakcijas centram.

Ideja ir tāda, ka mijiedarbība ar vidi maina kvantu stāvokļa viļņveidīgo raksturu tieši tik daudz, lai novērstu Andersona lokalizāciju. Tajā pašā laikā kvantu zeno efekts pagarina kvantu stāvokļa kalpošanas laiku, ļaujot tam atrast ceļu uz reakcijas centru. Tieši šī mijiedarbība starp kvantu un klasisko pasauli nodrošina enerģijas pārnesi.

Tas izskaidro gaismas novākšanas procesu kvantiem līdzīgo uzvedību istabas temperatūrā. Bet Vatay un Kauffman saka, ka idejai ir arī citas svarīgas sekas. Problēma par reakcijas centra atrašanu olbaltumvielu matricā formāli ir līdzvērtīga daudzām citām skaitļošanas problēmām. Tāpēc vajadzētu būt iespējai gaismas novākšanu pārvērst par skaitļošanas uzdevumu, kartējot vienu problēmu ar otru.

Tas varētu ievērojami uzlabot skaitļošanas ātrumu istabas temperatūrā. Datoriem, kuru pamatā ir mākslīgās gaismas savākšanas kompleksi, varētu būt vienības ar 100–1000 reižu lielāku efektivitāti istabas temperatūrā, saka Vattay un Kauffman.

Turklāt šāda veida aprēķini jau var darboties dabā. Tā kā šī mehānisma realizācija šobrīd šķiet samērā vienkārša, svarīgs ir jautājums, vai tas ir realizēts vieglās novākšanas sistēmās vai arī citos bioloģiskos transportēšanas vai optimizācijas procesos. Viņi saka, it īpaši cilvēka smadzenēs.

Ja viņiem ir taisnība, šis jaunais aprēķinu veids īsā laikā varētu radīt interesi.

Atsauce: arxiv.org/abs/1311.4688 : Evolūcijas dizains bioloģiskajā kvantu skaitļošanā

paslēpties