Czy spójność kwantowa w kompleksie FMO ma jakieś znaczenie dla obliczeń kwantowych (na podłożu biologicznym)?

Efekty kwantowe kompleksu FMO (kompleks fotosyntetyczny do zbierania światła występujący w bakteriach zielonej siarki) zostały dobrze zbadane, a także efekty kwantowe w innych układach fotosyntetycznych. Jedną z najczęstszych hipotez wyjaśniających to zjawisko (koncentrujących się na kompleksie FMO) jest wspomagany przez środowisko transport kwantowy (ENAQT) pierwotnie opisany przez Rebentrost i in. . Mechanizm ten opisuje, w jaki sposób niektóre sieci kwantowe mogą „wykorzystywać” dekoherencję i efekty środowiskowe do poprawy wydajności transportu kwantowego. Należy zauważyć, że efekty kwantowe powstają w wyniku transportu ekscytonów z jednego pigmentu (chlorofilu) w kompleksie do drugiego. (Jest pytanie, które bardziej szczegółowo omawia efekty kwantowe kompleksu FMO).

Biorąc pod uwagę, że ten mechanizm pozwala, aby efekty kwantowe zachodziły w temperaturze pokojowej bez negatywnych skutków dekoherencji, czy mają one jakiekolwiek zastosowanie w obliczeniach kwantowych? Istnieje kilka przykładów sztucznych układów wykorzystujących ENAQT i powiązane efekty kwantowe. Prezentują jednak biomimetyczne ogniwa słoneczne jako potencjalne zastosowanie i nie koncentrują się na zastosowaniach w obliczeniach kwantowych.

Początkowo wysunięto hipotezę, że kompleks FMO wykonuje algorytm wyszukiwania Grovera, jednak z tego, co rozumiem, teraz okazało się, że to nieprawda.

Przeprowadzono kilka badań, w których wykorzystano chromofory i substraty, których nie znaleziono w biologii (doda odniesienia później). Chciałbym jednak skupić się na systemach wykorzystujących substrat biologiczny.

Nawet w przypadku substratów biologicznych istnieje kilka przykładów inżynieryjnych systemów wykorzystujących ENAQT. Na przykład system wirusowy został opracowany przy użyciu inżynierii genetycznej. Obwód ekscytonowy oparte na DNA także rozwinięta. Jednak większość tych przykładów przedstawia fotowoltaikę jako główny przykład, a nie obliczenia kwantowe.

Vattay i Kauffman jako (AFAIK) jako pierwsi zbadali efekty kwantowe jako kwantowe obliczenia biologiczne i zaproponowali metodę inżynierii systemu podobnego do kompleksu FMO do obliczeń kwantowych.

$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$i może uzyskać dostęp do prądu w każdym centrum reakcji, będzie proporcjonalne do prawdopodobieństwa znalezienia ekscytonu na chromoforze .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Jak efekty kwantowe kompleksu FMO można wykorzystać na podłożu biologicznym do obliczeń kwantowych? Biorąc pod uwagę, że efekty kwantowe występują w wyniku transportu ekscytonów w strukturach sieciowych, czy ENAQT może zapewnić bardziej wydajne implementacje algorytmów sieciowych (np. Najkrótsza ścieżka, podróżny sprzedawca itp.)?

PS W razie potrzeby dodam bardziej odpowiednie odniesienia. Dodaj też odpowiednie referencje.

Zgadzam się z większością tego, co napisałeś w pierwszym akapicie, choć powiedziałbym, że mniej więcej w tym samym czasie (w odstępie zaledwie 1 miesiąca!), Jak Rebentrost i in. W artykule, o którym wspomniałeś, Plenio i Huelga opublikowali bardzo podobny artykuł pod tytułem „Wdrażanie transportu wspomaganego: sieci kwantowe w biomolekułach” i faktycznie został opublikowany w tym samym czasopiśmie co Rebentrost i in. papier, ale kilka miesięcy wcześniej. Na stronie arXiv opublikowano również miesiąc wcześniej niż Rebentrost i wsp. Publikację Mohseni et al. Wspomagane przez środowisko spacery kwantowe w fotosyntetycznym transferze energii opublikowaną w czasopiśmie 8 dni przed publikacją Plenio-Huelga.

Ale właściwie 13 lat przed tym wszystkim, Nancy Makri i Eunji Sim napisali artykuły symulujące pełną spójność kwantową dla transferu elektronów w bakteriochlorofilach (zobacz to i to ). Również 11 lat wcześniej laureat Nagrody Nobla Rudy Marcus wykorzystał teorię Marcusa do badania transferu energii w tym samym systemie i napisał tę recenzję na ten temat z 331 artykułami wymienionymi w bibliografii.

Tak więc zastosowanie mechaniki kwantowej do badania transferu energii w bakteriochlorofilu sięga dziesięcioleci, zanim Rebentrost i in. papier, a wspomniał pan o dokumencie Engela z 2007 r., w którym połączyli transfer energii z obliczeniami kwantowymi, co wywołało nową falę zainteresowania (w tym społeczność komputerów kwantowych, która wcześniej nie była zainteresowana biologicznym / chemicznym przenoszeniem energii, przykłady są to dwa artykuły z 2008 r. wymienione w pierwszym akapicie, w których znaleźli się autorzy obliczeń kwantowych, tacy jak Martin Plenio i Seth Lloyd).

Miałem szczęście, że miałem okazję zobaczyć przemówienie Boba Silbeya na spotkaniu Royal Society pod tytułem „Kwantowy spójny transfer energii: implikacje dla biologii i nowych technologii energetycznych” mniej niż 6 miesięcy przed jego śmiercią, a on prześledził biologię kwantową z powrotem do rozdziału 4 Książka Schrödingera „ What is Life? ”, Która mówi o mutacjach wywoływanych przez transfer elektronów (czego dowiadujemy się teraz w biologii w szkole średniej: promieniowanie UV powoduje wzbudzenia, które powodują tworzenie się dimerów tyminy , prowadząc do raka).

W drugim akapicie sprawy stają się interesujące, gdy mówisz:

Biorąc pod uwagę, że ten mechanizm pozwala, aby efekty kwantowe zachodziły w temperaturze pokojowej bez negatywnych skutków dekoherencji, czy mają one jakiekolwiek zastosowanie w obliczeniach kwantowych?

W mojej odpowiedzi na to zwróciłem uwagę, że jeśli wzbudzenia byłyby w próżni bez trybów próżni (w QED nawet próżnia ma tryby, które mogą oddziaływać z wzbudzeniami), wtedy energia po prostu przenosiłaby się tam iz powrotem ( oscylacje Rabiego ) w nieskończoność ze względu na kwantową wersję twierdzenia Poincarégo o powtarzalności . Widać, że kiedy włączyłem dekoherencję, te oscylacje Rabiego nie tylko uległy tłumieniu, ale również wzbudzenie zostało „skierowane” w stronę centrum reakcji, umożliwiając w ten sposób napędzanie późniejszej fotosyntezy. Dlatego nazywa się to „napędzanym dekoherencją” transferem energii i dlatego mówicie, że efekty kwantowe zachodzą „bez negatywnych skutków dekoherencji”.

Implikacje dla obliczeń kwantowych są jednak bardziej subtelne.

Zauważ, że koherencja praktycznie zniknęła po 1ps (zauważ, że oscylacje Rabiego zniknęły z 1ps). Oznacza to, że dekoherencja jest nadal zła, w rzeczywistości znacznie gorsza niż u niektórych kandydatów na komputery kwantowe, takich jak krzem domieszkowany fosforem .

Innym sposobem jest to, że koherencja jest zabijana w FMO w ciągu około 1ps, podczas gdy w krzemie domieszkowanym fosforem trwa dłużej niż trylion razy dłużej niż 1ps. Nie powinieneś być zaskoczony różnicą 12 rzędów wielkości, ponieważ FMO nie miało być komputerem kwantowym (jest to wilgotne, hałaśliwe środowisko pełne źródeł dekoherencji), podczas gdy eksperymenty z domieszką fosforu przeprowadzono celowo w warunkach, które pozwoliłyby autorom uzyskać jak najdłuższy możliwy czas koherencji temperatury pokojowej.

Podsumowując:

• decoherence pomaga w pracy fotosyntezy,
• dekoherencja zachodzi szybko w BMF (około 1ps, w porównaniu do sekund dla niektórych kandydatów na QC)
• oparte na obwodach komputery kwantowe wymagają długich czasów koherencji
• oparte na obwodach komputery kwantowe nie będą działały dobrze, jeśli koherencja zostanie całkowicie utracona po 1 ps, szczególnie jeśli bramki kwantowe zajmą 100ns każdy (co jest realistycznym oszacowaniem dla nadprzewodzących QC).
• Dlatego nie wybrałbym wzbudzeń w chromoforach dla quditów w komputerach kwantowych opartych na obwodach. Taki komputer kwantowy jest mniej prawdopodobne, aby był tak samo zdolny, jak maszyny obecnie produkowane przez prawdziwe firmy, które bardzo ciężko starają się stworzyć dobre komputery kwantowe: wszyscy używają IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba itp. układy nadprzewodzące, a nie chromofory biologiczne).

Najważniejsze jest to, że bardzo interesujące jest to, że jesteśmy w stanie zaobserwować kwantową koherencję w transferze energii FMO za pomocą spójnej spektroskopii 2D, ale ta spójność nie trwa tak długo, jak jest to potrzebne do kwantowego obliczania odpornego na uszkodzenia, a QC, które zostały opracowane w laboratorium specjalnie do pracy w obliczeniach kwantowych, mają znacznie dłuższy czas koherencji. W przeciwnym razie IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba itp. Używają biologicznych chromoforów, a nie nadprzewodzących kubitów.Firmy te są świadome spójności kwantowej w BMF. W rzeczywistości, jak stwierdzono w moim pierwszym akapicie, Mohseni jako pierwszy napisał o spójności w BMF (w 2008 r.) W tej fali, która rozpoczęła się po pracy Engela z 2007 r. Zgadnij, gdzie pracuje Mohseni? Google. Powiedziałeś, że ENAQT został pierwotnie zaproponowany przez Patrick Rebentrost. Patrick pracuje w Xanadu, firmie próbującej tworzyć fotoniczne QC, a nie chromoforowe QC. Kierownik doktora Patricka, Alan Aspuru-Guzik, który jest autorem (przynajmniej) 4 wspomnianych artykułów, w tym jednego z opublikowanych DNA, był również doradcą doktora wielu innych osób w zespołach kwantowych Google i Rigetti.Firmy te wiedzą o spójności w BMF, zatrudniają wielu wiodących autorów w tych papierach BMF, a jeśli dobrym pomysłem byłoby zbudowanie komputera kwantowego inspirowanego FMO, wiedzieliby o tym, ale zamiast tego wszyscy używają kubitów nadprzewodzących, a czasem pułapki jonowe lub fotonika .