"В погоне за квантовой биологией с Биргиттой Уэйли."

Интервью с квантовым химиком из Беркли К. Биргиттой Уэйли о перспективах и задачах переводапринципов квантовой биологии в практические насущные квантовые устройства.

Будучи студентом Оксфордского университета в середине 1970-х годов, К. Биргитта Уэйли боролась за выбор между химией и физикой. Теперь, будучи профессором Калифорнийского университета в Беркли и директором его квантового Информационно-вычислительного центра, ей не нужно: ее научные интересы охватывают все квантовые области, включая химию и физику, а также компьютерные науки и ее новейшее направление, квантовую биологию, где физика встречается с науками о жизни.

Уэйли обратила свое внимание на биологию в 2007 году после того, как экспериментаторы продемонстрировали, что зеленые Серные бактерии могут синтезировать сахар из света биологически контролируя квантово-механические эффекты при температурах до 80 градусов по Фаренгейту. Как теоретик, Уэйли заинтересована в изучении того, как эти живые организмы могут так эффективно обрабатывать квантовую информацию, потому что она ищет ключи к тому, как создать надежный квантовый компьютер. Но в отличие от зеленых бактерий, которые могут обрабатывать квантовую информацию при комнатной температуре в природе, наши лучшие прототипы квантовых компьютеров ограничены контролем квантовых эффектов в лаборатории при температурах, граничащих с абсолютным нулем.

Двигаясь дальше простых бактерий, птицы теперь, как полагают, отображают свои путешествия с помощью квантовой механики, и это может иметь приложения к квантовой науке.

Биология возникает из химии, которая, в свою очередь, возникает из того, как атомы и молекулы взаимодействуют в микроскопических областях, управляемых квантовыми вероятностями. Основным инструментом квантовой механики является волновое уравнение, опубликованное в 1926 году Эрвином Шредингером, которое используется для перечисления всех свойств конкретного квантового объекта или системы, таких как весь диапазон неидентичных пространственных положений, которые может иметь один электрон одновременно занимаю. Эта противоинтуитивная, но хорошо доказанная способность атомной частицы или биологической молекулы одновременно проживать несколько мест, времен или энергетических состояний называется суперпозицией.

Еще одно важное понятие в квантовой биологии-запутанность. Утверждение, что две или более атомные частицы запутаны, означает, что информация может быть передана между ними мгновенно, независимо от того, как далеко они находятся, даже в световых годах. (Но чтобы понять передаваемую информацию, наблюдателю также потребуется получить некоторые инструкции по декодированию, которые могут передаваться только со скоростью света или ниже ее).

И тогда возникает энтропия: тенденция изолированных систем приближаться к стазису (состоянию тепловой смерти или максимального беспорядка). В своей книге 1944 года “Что такое жизнь?" Шредингер сосредоточился на том, как организмы, такие как плодовые мухи, используют квантово-механические эффекты для борьбы с энтропией, создавая порядок из беспорядка.

Представьте себе порядок, состоящий из того, как единицы информации или количества энергии расположены внутри замкнутой системы: когда энергия в системе рассеивается, информация теряется в системе, когда возникает беспорядок. Но способность закрытой системы увеличивать свое информационное или энергетическое содержание путем обращения к окружающей среде равносильна восстановлению порядка. Шредингер назвал процесс переупорядочения энергии в системе "отрицательной энтропией".“Он писал, что борьба жизни " состоит в постоянном высасывании упорядоченности из окружающей среды.”

Изучение того, как управлять суперпозициями и запутываниями без потери информации в окружающую среду, является обязательным условием для создания жизнеспособного квантового процессора, который может выполнять вычисления, используя массивы атомов и молекул в качестве транзисторов. Уэйли возлагает большие надежды на то, что продолжающиеся открытия в стремительно развивающейся области квантовой биологии приведут к прорывному дизайну для новых квантовых устройств.

В марте Уэйли объяснил основы квантового управления биологическими системами на собрании преподавателей Высшей школы в Институте теоретической физики Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Совсем недавно она сидела на двухчасовом интервью с журналом Quanta. Это сокращенная и отредактированная версия того разговора.

Журнал QUANTA: является ли квантовая биология новой новой вещью или старой новой вещью?

К. Биргитта Уэйли: биофизическая книга Шредингера “что такое жизнь?- он появился за много лет до открытия атомной структуры ДНК. В ней он доказал, что квантовая физика управляет эволюцией "генетических молекул“, содержащих” код" для жизни. И он предположил, что поскольку живые системы подвержены энтропии и распаду, они должны постоянно вытягивать энергию из своей квантовой среды или умирать.

Чтобы подкрепить свои аргументы, Шредингер широко использовал экспериментальные исследования, проведенные Максом Дельбрюком в 1930-х гг. Дельбрюк был физиком-биологом, который признал, что химическая стабильность живого материала определяется тем фактом, что органические молекулы должны прыгать через энергетические барьеры для протекания реакций жизни. Высота этих энергетических барьеров определяется квантовыми взаимодействиями между электронами, атомами и молекулами, составляющими форму жизни.

Как все это происходило в лаборатории?

Дельбрюк бомбардировал пучки хромосом плодовых мух рентгеновскими лучами, чтобы индуцировать и изучать скорость генетических мутаций, но его зонды не позволяли исследовать квантовую динамику атомного масштаба в реальном времени. Появление лазеров в 1960-х годах сделало это возможным. Теперь мы измеряем пересекающиеся импульсы лазерного света со спектрометрами для отслеживания молекулярной динамики биологических объектов в реальном времени, измеренные в квадриллионных долях секунды.

Исследуя химию растений с помощью лазеров, мы можем наблюдать взаимодействие между квантовыми компонентами в живых организмах и их локальным окружением, окружающей “баней". Но "открытая" квантовая система и ее ванна в живом организме на самом деле не являются отдельными; они непрерывно влияют друг на друга, обмениваясь количествами энергии и информации взад и вперед.

Что привлекло вас в квантовой биологии?

Я попался на крючок шесть лет назад после того, как впечатляющий эксперимент Грэма Флеминга показал существование квантовой когерентности во время фотосинтеза у сверхохлажденных зеленых сернистых бактерий. Последующие эксперименты позволили проследить квантовые взаимодействия при температуре окружающей среды.

Что такое квантовая когерентность?

Когерентность - это согласованная динамика квантовых состояний, либо с самими собой в разное время и в разных местах, либо с другими состояниями. Противоположностью когерентности является декогерентность: когда изолированные квантовые системы открываются и энергетически взаимодействуют со своей атомной средой, они быстро декогерируются: они теряют свою квантово — механическую согласованную природу — свою когерентность-и начинают вести себя классически, макроскопически. Декогеренция является главным препятствием для построения квантового компьютера.

- Почему же?

Машина или растение, трудно держать закрытую квантовую систему изолированной от ее ванны — или так мы думали, пока экспериментаторы не начали ловить события когерентности в реальном времени в фотосинтезе. Они видели когерентные суперпозиции электронных возбуждений в бактериях.

Что такое квантовая механика в фотосинтезе?

В процессе фотосинтеза бактерии и растения преобразуют солнечный свет в электроны, а затем в химическую энергию. Вот эта модель: фотоны сначала поглощаются молекулами хлорофилла, встроенными в белковые каркасы. Эти собирающие свет "антенны" передают эту фотонную энергию в виде возбуждений электронов через ряд квантовых механически связанных молекул хлорофилла к месту реакции, где захваченная энергия катализирует производство энергоаккумулирующих сахаров.

До экспериментов Флеминга считалось, что при сборе света возбуждение электронов рассеивалось случайным образом, неэффективно, через антенную структуру, теряя большую часть захваченного солнечного входа во время блуждающего процесса передачи.

Теперь мы можем показать, что одиночное электронное возбуждение, действующее как волна амплитуды вероятности, может одновременно пробовать различные молекулярные пути, соединяющие антенные ячейки с реакционным центром. Возбуждение эффективно "выбирает"наиболее эффективный маршрут от поверхности листа к месту конверсии сахара из квантового меню возможных путей. Это требует, чтобы все возможные состояния бегущей частицы были наложены в одном когерентном квантовом состоянии в течение десятков фемтосекунд.

Мы видели это замечательное явление в зеленых серных бактериях, но люди еще не поняли, как природа может стабилизировать когерентное электронное квантовое состояние в таких сложных системах в течение таких длительных периодов времени.

Можем ли мы использовать этот урок природы, чтобы построить искусственную светоуборочную машину?

Лаборатории по всему миру работают над созданием прототипов химических солнечных элементов, которые моделируются на основе естественного фотосинтеза. Оказывается, органические системы с индивидуальными молекулами очень легко перестраиваются. Хитрость заключается в том, чтобы не потерять входные данные: каждый фотон, который захватывается зелеными серными бактериями, используется. Имитация этого биологического подвига могла бы создать почву для создания надежного, управляемого, квантово-механического усиленного устройства для сбора фотонов.

Те из нас, кто пытается создать масштабируемые квантовые компьютеры, восхищаются тем, как природа так эффективно контролирует поток энергии — на самом деле передачу информации — через открытую квантовую систему, такую как зеленые Серные бактерии.

Основная проблема с квантовыми информационными процессорами заключается в том, что их микроскопическая операционная система должна оставаться “закрытой” — невосприимчивой к дегенеративному воздействию окружающей среды — в то время как они вычисляют с наложенными “кубитами” или процессорами размером с атом. До сих пор инженеры могут только мечтать о создании открытой квантовой системы, которая может вычислять со своими кубитами, хранящимися в когерентном состоянии достаточно долго, чтобы не потерять данные в ванну через декогерентность.

Примечательно, что эти фотосинтезирующие бактерии могут фактически использовать декогерентность для ускорения передачи электронной информации, получая доступ к колебательным энергиям в белковой ванне, окружающей биологическую квантовую проволоку, не теряя целостности информации.

Действительно ли эти бактерии-прото-растения-квантовые компьютеры?

Растения не могут внутренне обрабатывать информацию почти так же быстро, как мы предсказываем, что истинный квантовый компьютер сможет это сделать. Но бактерии, которые мы изучили, действительно передают информацию с очень высокой скоростью эффективности с квантово-механическими трюками, которые мы пока не можем воспроизвести в машинах.

Повлияла ли квантовая механика на эволюцию жизни на макроуровне?

Вполне вероятно, что растения и бактерии подвергаются интенсивному отбору для высокоэффективного захвата энергии из света. Это может объяснить, почему фотосинтетические системы, которые мы имеем сегодня, обычно настолько эффективны, что мы можем обнаружить квантовые процессы, лежащие в основе этого сбора световой энергии.

Как птицы используют квантовую механику?

Мигрирующие птицы используют в своих интересах тот факт, что наклон магнитного поля Земли изменяется в зависимости от широты, или насколько далеко на север находится птица. На экваторе магнитное поле находится по касательной к Земле. На Северном полюсе он перпендикулярен. По мере того как птица летит на большие расстояния, наклон магнитного поля изменяется относительно плоскости локальной поверхности земли внизу.

По-видимому, квантово-механические процессы в глазе птицы посылают в мозг сигналы, которые чувствительно зависят от угла изменения наклона магнитного поля, что позволяет птице построить маршрут движения. Гипотеза состоит в том, что пары светопоглощающих молекул в сетчатке глаза птицы производят квантово-механически запутанные электроны, квантово-механическое состояние которых зависит от углового наклона поля и которые катализируют химические реакции, посылающие в мозг различно значимые сигналы в зависимости от степени наклона.

Как это помогает птицам выбрать правильное место назначения?

Они, по-видимому, генетически жестко связаны с квантово-механической способностью вычислять направленность, но во время своей первой миграции они направляются к родовому зимнему дому более старыми, опытными птицами. Вероятно, это похоже на то, как люди изучают язык.

Является ли мозг птицы управляемой квантовой системой?

Это было бы так, если бы мы знали идентичность и расположение обеих запутанных молекул в сетчатке. Мы знаем расположение молекулы-ловушки фотонов, но еще не нашли молекулу, которая обеспечивает второй электрон в радикальной паре, которая инициирует сигнал отображения.

- А почему бы и нет?

Трудно получить исследовательские деньги для изучения мозга птиц. Кроме того, нужно убить их, чтобы получить ясную картину того, что происходит на молекулярном уровне, и многие люди любят птиц. С другой стороны, тараканы тоже могут это делать.

Давайте вернемся к мозгу Шредингера. В 1953 году он предложил парадокс: согласно его волновому уравнению, макроскопические объекты состоят из микроскопических атомов и молекул. Поскольку малые объекты могут быть найдены в волнистых, осциллирующих, обратимых или” когерентных " суперпозициях,то почему большие объекты также не накладываются? Что удерживает биологические объекты от превращения в то, что Шредингер назвал “квантовыми медузами”?

Мы избегаем “медузообразования", потому что большие суперпозиции вымываются невероятно быстро декогеренцией. В процессе фотосинтеза химическая реакция быстро вносит необратимость в квантовый процесс передачи энергии. Всегда есть какая-то термодинамическая или энтропийная сила, которая управляет общей биологической динамикой. Бактерии, растения и люди не превращаются в медуз, потому что в биологической динамике есть структура, организация.

Мы не понимаем всех деталей, но в биологической области природа, по-видимому, не показывает типичных парадоксов, связанных с обработкой информации в квантовой физике: и это хорошо предвещает будущее квантовых компьютеров, если мы исследуем открытые биологические квантовые системы как инженерные модели. https://arxiv.org/abs/0905.3787

Источник: arxiv.org

Комментарии: