För nästan 75 år sedan, Nobelprisvinnande fysiker Erwin Schrödinger undrade om kvantmekanikens mystiska värld spelade en roll inom biologin. Ett färskt fynd av Northwestern Universitys Prem Kumar lägger till ytterligare bevis för att svaret kan vara ja.

Kumar och hans team har, för första gången, skapat kvantinvikling från ett biologiskt system. Denna upptäckt kan främja forskarnas grundläggande förståelse för biologi och potentiellt öppna dörrar för att utnyttja biologiska verktyg för att möjliggöra nya funktioner genom att utnyttja kvantmekanik.

"Kan vi tillämpa kvantverktyg för att lära oss om biologi?" sa Kumar, professor i elektroteknik och datavetenskap vid Northwestern McCormick School of Engineering och fysik och astronomi vid Weinberg College of Arts and Sciences. "Folk har ställt denna fråga för många, många år - som går tillbaka till början av kvantmekaniken. Anledningen till att vi är intresserade av dessa nya kvanttillstånd är att de tillåter applikationer som annars är omöjliga. "

Delvis stöd av Defense Advanced Research Projects Agency, forskningen publicerades 5 december Naturkommunikation .

Quantum entanglement är ett av kvantmekanikens mest mystifierande fenomen. När två partiklar - som atomer, fotoner, eller elektroner - är intrasslade, de upplever en oförklarlig länk som upprätthålls även om partiklarna är på motsatta sidor av universum. Medan de är intrasslade, partiklarnas beteende hänger ihop. Om en partikel finner sig snurra i en riktning, till exempel, då ändrar den andra partikeln omedelbart sitt spinn på motsvarande sätt som dikteras av intrasslingen. Forskare, inklusive Kumar, har varit intresserade av att utnyttja kvantintrassling för flera applikationer, inklusive kvantkommunikation. Eftersom partiklarna kan kommunicera utan ledningar eller kablar, de kan användas för att skicka säkra meddelanden eller hjälpa till att bygga ett extremt snabbt "kvantinternet".

"Forskare har försökt att trassla in en större och större uppsättning atomer eller fotoner för att utveckla substrat för att designa och bygga en kvantmaskin, "Kumar sa." Mitt laboratorium frågar om vi kan bygga dessa maskiner på ett biologiskt underlag. "

I studien, Kumars team använde gröna fluorescerande proteiner, som är ansvariga för bioluminescens och som vanligtvis används inom biomedicinsk forskning. Teamet försökte snärja in fotonerna som genererades från de fluorescerande molekylerna i algernas tunnformade proteinstruktur genom att exponera dem för spontan fyrvågsblandning, en process där flera våglängder interagerar med varandra för att producera nya våglängder.

Genom en serie av dessa experiment, Kumar och hans team visade framgångsrikt en typ av trassel, kallas polarisationsintrassling, mellan fotonpar. Samma funktion som används för att göra glasögon för visning av 3D -filmer, polarisering är orienteringen av svängningar i ljusvågor. En våg kan svänga vertikalt, vågrätt, eller i olika vinklar. I Kumars intrasslade par, fotonernas polariseringar är intrasslade, vilket betyder att ljusvågornas oscillationsriktningar är länkade. Kumar märkte också att den fatformade strukturen som omger fluorescerande molekyler skyddade trasseln från att störas.

"När jag mätte den vertikala polarisationen av en partikel, vi visste att det skulle vara samma sak i den andra, "sa han." Om vi ​​mätte den horisontella polarisationen av en partikel, vi kunde förutsäga den horisontella polarisationen i den andra partikeln. Vi skapade ett intrasslat tillstånd som korrelerade i alla möjligheter samtidigt. "

Nu när de har visat att det är möjligt att skapa kvantinvikling från biologiska partiklar, nästa planerar Kumar och hans team att göra ett biologiskt substrat av intrasslade partiklar, som kan användas för att bygga en kvantmaskin. Sedan, de kommer att försöka förstå om ett biologiskt substrat fungerar mer effektivt än ett syntetiskt.