Quantum Light Harvesting tips om en helt ny form av datoranvändning

Fysiker har länge vetat att växter och bakterier omvandlar ljus till kemisk energi på ett sätt som är enormt effektivt. Men först på senare år har de upptäckt att de molekylära maskinerna bakom denna process förlitar sig på kvantmekanik för att göra jobbet.

Det är en stor överraskning på grund av de inblandade temperaturerna. Kvanttillstånd är mycket ömtåliga - nysningar och de försvinner i en rökpuff. Fysiker kan upprätthålla dessa tillstånd under en tid i noggrant kontrollerade miljöer vid låg temperatur, men ingen kan förklara hur det kan vara möjligt i de varma våta miljöerna inuti levande varelser.

Idag har Gabor Vattay vid Eotvos University i Budapest och Stuart Kauffman vid University of Vermont i Burlington svaret. De säger att processerna bakom lätt skörd är en speciell blandning av kvant och det klassiska. Och att denna delikata mix representerar en helt ny form av datoranvändning som naturen kan utnyttja i andra system också.

De kvantprocesser som måste studeras i ljusskördesystem sker i en struktur som kallas Fenna-Matthews-Olson eller FMO-komplexet, ett enormt pigmentprotein som är en del av ljusinsamlingsmaskineriet i gröna svavelbakterier. Inbäddade i dessa proteinstrukturer finns reaktionscentra som omvandlar energin från ljus till kemisk energi.

När ljus träffar FMO-komplexet måste energin färdas över proteinmatrisen tills den når ett reaktionscentrum. Och otroligt nog sker denna överföring med en effektivitet på nästan 100 procent.

Det är förbryllande eftersom det enda sättet för ljusenergin att hitta ett reaktionscentrum är att studsa genom proteinnätverket på måfå, som en rikoschetterande biljardboll. Denna process skulle ta för lång tid, mycket längre än nanosekunden eller så tar det för ljusenergin att försvinna i miljön och gå förlorad.

Så energiöverföringsprocessen kan inte ske klassiskt på detta sätt. Istället har fysiker samlat en mängd olika bevis som visar att energiöverföringen är en kvantprocess.

Tanken går så här. Eftersom energi kan existera i en superposition av tillstånd, kan den resa en mängd olika rutter runt nätverket samtidigt. Och när den hittar rätt destination kollapsar superpositionen och lämnar energin kvar i reaktionscentret. Resultatet är en nästan perfekt överföring av energi.

Men Vattay och Kauffman säger att den här typen av ren kvantprocess inte heller kan vara ansvarig. Det beror på att ett antal kvantprocesser saktar ner rörelsen av kvantobjekt genom slumpmässiga nätverk som detta. Kvantmekaniken har också negativa effekter, säger de.

En av dessa partypoopers är känd som Anderson-lokalisering, ett fenomen som förhindrar spridningen av kvanttillstånd i slumpmässiga medier. Eftersom kvanttillståndet fungerar som en våg, är det sårbart för störningseffekter, vilket förhindrar att det sprider sig i ett slumpmässigt nätverk.

En annan är quantum zeno-effekten, det paradoxala fenomen där ett instabilt tillstånd aldrig förändras om det observeras kontinuerligt. Det beror på att titta involverar ett stort antal mätningar som ständigt knuffar tillståndet och förhindrar det från att kollapsa. Det här är kvantversionen av effekten bevakad-pot-aldrig-kokar.

En liknande sak händer med energins kvanttillstånd under ljusskörd. Detta kvanttillstånd kommer oundvikligen att interagera med miljön men dessa interaktioner fungerar som mätningar. Detta utlöser en kvantzenoliknande effekt som förhindrar tillståndet från att kollapsa vid reaktionscentrumet. Så energiöverföringen kan inte ske på det här sättet, säger Vattay och Kauffman.

Istället föreslår de en ny process där kvantsökningsmekanismen och interaktionen med miljön kombineras för att övervinna Andersons lokalisering. Det är samspelet mellan dessa processer som levererar energin till reaktionscentret på ett optimalt sätt, menar de.

Tanken är att interaktionen med miljön förändrar kvanttillståndets vågliknande natur precis tillräckligt för att förhindra Anderson-lokalisering. Samtidigt förlänger kvantzenoeffekten kvanttillståndets livslängd så att det kan hitta vägen till reaktionscentrumet. Det är detta samspel mellan kvantvärlden och den klassiska världen som tillåter energiöverföringen.

Det förklarar det kvantliknande beteendet hos lätta skördeprocesser vid rumstemperatur. Men Vattay och Kauffman säger att idén har andra viktiga konsekvenser. Problemet med att hitta ett reaktionscentrum i en proteinmatris är formellt likvärdigt med många andra problem inom datoranvändning. Så det borde vara möjligt att vända ljusskörd till uppgiften att beräkna genom att kartlägga ett problem på det andra.

Det kan dramatiskt förbättra beräkningshastigheterna vid rumstemperatur. Datorer baserade på komplex för skörd av artificiellt ljus skulle kunna ha enheter med 100-1000 gånger större effektivitet vid rumstemperatur, säger Vattay och Kauffman.

Dessutom kan den här typen av beräkning redan vara igång i naturen. Eftersom förverkligandet av denna mekanism nu verkar relativt lätt, är det en viktig fråga om den har realiserats i lätta skördesystem eller även förekommer i andra biologiska transport- eller optimeringsprocesser. Speciellt i den mänskliga hjärnan, säger de.

Om de har rätt kan den här nya typen av beräkning generera ett stort intresse på kort tid.

Ref: arxiv.org/abs/1311.4688 : Evolutionär design i biologisk kvantberäkning

Dölj