Effektivitet i naturens biomolekylära processer, som fotosyntes, förklaras inte helt av konventionell teori. Det EU-finansierade PAPETS-projektet undersökte kvanteffekter för att bättre förstå dessa processer, nyligen lett till ytterligare insikter om möjligheterna för kvantberäkning.

Fram till relativt nyligen trodde man att det konstiga beteendet hos enheter som rapporterats från kvantfysik, manifesterades främst på submikroskopisk nivå. Dock, under de senaste åren, frågor har ställts om kvantbeteendes roll i det mer vardagliga, makroskopiska biologiska processer. Det EU-finansierade PAPETS-projektet projekterar tidigare arbete med sådana biologiska fenomen, främst i fotosyntes och lukt, har matat in sig i de senaste fynden.

Två kvanteffekter kan förklara biologiska processer som har något förbryllade forskare, nämligen:förmågan att existera på flera platser samtidigt (superposition), tillsammans med att omedelbart kunna försvinna, och sedan dyka upp igen på en helt annan plats.

Kvantlabyrinten

Forskare som bygger på arbete som utförts som en del av PAPETS -projektet, förklara i tidningen Fysiska granskningsbrev hur de nyligen lyckats utnyttja temporalitet för kvantberäkningsuppgifter som utförs på dynamiska slumpmässiga nätverk. För att testa kvantberäkningarnas begränsningar, laget studerade en rumslig sökalgoritm med hjälp av kvantinformation, att hitta en markerad nod på ett slumpmässigt temporärt nätverk.

Författarna påpekar att det redan hade visats att kvantberäkning skulle erbjuda en hastighetsfördel i sökuppgifter inom nätverk över en viss tröskel för nodalanslutning. Dock, de fann också att under denna tröskel för anslutningar, kvantfördelen hålls inte längre.

I studien randomiserade forskarna kontinuerligt det faktiska arrangemanget av nätverket, med att antalet anslutningar också förändras, samtidigt som antalet noder hålls konstant. De fann att oavsett graden av anslutning, kvantsökningsalgoritmen alltid hittad, vad de kallar, '' en frekvens '' för att skapa nya nätverksarrangemang, för att hitta den markerade noden. Intressant, laget upptäckte att även när de införde en förspänning som resulterade i en mycket låg anslutning av noder, med många noder isolerade från resten av nätverket, algoritmen skapade nya nätverksarrangemang i en snabbare takt för att kompensera.

Forskarnas resultat motsatte sig förväntningen att när man försöker hitta en markerad nod i ett nätverk, om det är socialt, naturligt eller tekniskt, kvantsökningsalgoritmen skulle kämpa med nätverkets ständigt föränderliga natur (förlora och få länkar över tid). Faktiskt, de visar att denna tidsfunktion kan användas som kontroll för beräkningens prestanda. Medan teamet förväntar sig att deras arbete kommer att gynna kvantinformationsteknik, för kommunikation och beräkning, det bidrar också till förståelsen av biologiska processer.

När kvanteffekter möter biologi

Projektet PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) är nu över. Det inrättades för att utforska hur elektronisk och vibrationsdynamik, specifikt fononassisterade mekanismer, spelar en nyckelroll i strukturen och funktionen av biomolekylära system. Projektet undersökte den roll som kvanteffekter kan spela för att göra växtfotosyntes så effektiv som den är, genom att låta de energibärande excitonerna utforska olika vägar i bladet samtidigt, att hitta den mest effektiva vägen till bränslemolekylerna. Resultaten bidrar till ansträngningar att designa bättre solceller.

Dessutom, studien tittade på hur kvanteffekter kan hjälpa luktförmågan att känna igen dofter från molekyler, genom en process som kallas 'kvanttunnel', vilket hjälper en luktmolekyl att förena sig med en receptor. Denna förståelse ger möjligheten att utveckla teknik för luktavkänning som kan, till exempel, upptäcka faror i mat eller vatten.