La coerenza quantistica nel complesso FMO ha qualche significato per l'informatica quantistica (su un substrato biologico)?

Gli effetti quantistici del complesso FMO (complesso fotosintetico di raccolta della luce trovato nei batteri verdi dello zolfo) sono stati ben studiati così come gli effetti quantistici in altri sistemi fotosintetici. Una delle ipotesi più comuni per spiegare questi fenomeni (concentrandosi sul complesso FMO) è il trasporto quantico assistito dall'ambiente (ENAQT) originariamente descritto da Rebentrost et al. . Questo meccanismo descrive come alcune reti quantistiche possano "usare" la decoerenza e gli effetti ambientali per migliorare l'efficienza del trasporto quantico. Si noti che gli effetti quantistici derivano dal trasporto di eccitoni da un pigmento (clorofilla) nel complesso a un altro. (C'è una domanda che discute gli effetti quantistici del complesso FMO in modo un po 'più dettagliato).

Dato che questo meccanismo consente che gli effetti quantistici abbiano luogo a temperatura ambiente senza gli effetti negativi della decoerenza, sono le loro applicazioni per il calcolo quantistico? Ci sono alcuni esempi di sistemi artificiali che utilizzano ENAQT e relativi effetti quantistici. Tuttavia, presentano celle solari biomimetiche come una potenziale applicazione e non si concentrano sulle applicazioni dell'informatica quantistica.

Inizialmente, è stato ipotizzato che il complesso FMO esegua un algoritmo di ricerca di Grover, tuttavia, da quello che ho capito, da allora è stato dimostrato che questo non è vero.

Ci sono stati un paio di studi che utilizzano cromofori e substrati non trovati in biologia (aggiungeranno riferimenti in seguito). Tuttavia, vorrei concentrarmi su sistemi che utilizzano un substrato biologico.

Anche per i substrati biologici ci sono un paio di esempi di sistemi ingegnerizzati che utilizzano ENAQT. Ad esempio, un sistema basato su virus è stato sviluppato utilizzando l'ingegneria genetica. È stato inoltre sviluppato un circuito eccitonico a base di DNA . Tuttavia, la maggior parte di questi esempi presenta il fotovoltaico come esempio principale e non come calcolo quantistico.

Vattay e Kauffman sono stati (AFAIK) i primi a studiare gli effetti quantistici come calcolo biologico quantistico e hanno proposto un metodo di ingegneria di un sistema simile al complesso FMO per il calcolo quantistico.

Come possiamo usare questo meccanismo per costruire nuovi tipi di computer? Nel caso della raccolta leggera il sistema ha il compito di trasportare l'eccitone nel modo più veloce possibile al centro di reazione la cui posizione è nota. In un compito computazionale di solito vorremmo trovare il minimo di alcune funzioni complesse . Per semplicità, questa funzione ha solo valori discreti da 0 a K. Se siamo in grado di mappare i valori di questa funzione alle energie del sito elettrostatico dei cromofori H n n = ϵ 0 f n e dispieghiamo centri di reazione vicini a loro intrappolando gli eccitoni con una certa velocità$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$e può accedere alla corrente in ciascun centro di reazione sarà proporzionale alla probabilità di trovare l'eccitone sul cromoforo .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Come si possono usare gli effetti quantistici del complesso FMO su un substrato biologico per il calcolo quantistico? Dato che gli effetti quantistici si verificano a causa del trasporto di eccitoni sulle strutture di rete, ENAQT potrebbe fornire implementazioni più efficienti di algoritmi basati su rete (es: percorso più breve, commesso viaggiatore, ecc.)?

PS Aggiungerò riferimenti più pertinenti, se necessario. Inoltre, sentiti libero di aggiungere anche riferimenti pertinenti.

Sono d'accordo con la maggior parte di ciò che hai scritto nel primo paragrafo, anche se lo direi all'incirca nello stesso momento (a solo 1 mese di distanza!) Di Rebentrost et al. articolo che lei ha citato, un articolo molto simile è stato pubblicato su arXiv da Plenio e Huelga chiamato "Dephasing assisted transport: Network quantum in biomolecules" e in realtà è stato pubblicato sulla stessa rivista di Rebentrost et al. carta, ma qualche mese prima. C'erano anche le passeggiate quantistiche assistite dall'ambiente di Mohseni et al. Nel trasferimento di energia fotosintetica pubblicate su arXiv un mese prima di Rebentrost et al. E pubblicate in un giornale 8 giorni prima del documento Plenio-Huelga.

Ma in realtà 13 anni prima di tutto ciò, Nancy Makri ed Eunji Sim hanno scritto articoli che simulavano la piena coerenza quantistica per il trasferimento di elettroni nelle batterioclorofille (vedi questo e questo ). Anche 11 anni prima, il premio Nobel Rudy Marcus usava la teoria di Marcus per studiare il trasferimento di energia nello stesso sistema e ha scritto questa recensione sull'argomento con 331 articoli elencati nella bibliografia.

Quindi l'uso della meccanica quantistica per studiare il trasferimento di energia nella batterioclorofilla risale a decenni prima che Rebentrost et al. paper, ed è stato il documento Engel del 2007 che hai menzionato, in cui hanno collegato il trasferimento di energia al calcolo quantistico, che ha creato una nuova ondata di interesse (incluso nella comunità di calcolo quantistico che in precedenza non era interessato al trasferimento di energia biologico / chimica, esempi essendo i due articoli del 2008 menzionati nel primo paragrafo, che presentavano autori del calcolo quantistico come Martin Plenio e Seth Lloyd).

Sono stato fortunato ad avere la possibilità di vedere il discorso di Bob Silbey al meeting della Royal Society chiamato "Trasferimento di energia coerente quantistica: implicazioni per la biologia e le nuove tecnologie energetiche" meno di 6 mesi prima della sua morte, e ha rintracciato la biologia quantistica nel capitolo 4 di Il libro di Schrödinger " What is Life? ", Che parla delle mutazioni causate dal trasferimento di elettroni (che ora impariamo nella biologia del liceo: le radiazioni UV provocano eccitazioni che causano la formazione di dimeri di timina , che portano al cancro).

Le cose si fanno interessanti nel secondo paragrafo quando dici:

Dato che questo meccanismo consente che gli effetti quantistici abbiano luogo a temperatura ambiente senza gli effetti negativi della decoerenza, sono le loro applicazioni per il calcolo quantistico?

Nella mia risposta a questo ho fatto notare che se le eccitazioni erano in un vuoto senza modalità a vuoto (in QED, anche un vuoto ha i modi che possono interagire con le eccitazioni), allora l'energia sarebbe solo trasferire avanti e indietro ( oscillazioni Rabi ) indefinitamente a causa della versione quantistica del teorema di ricorrenza di Poincaré . Puoi vedere che quando ho attivato la decoerenza, queste oscillazioni di Rabi non si sono solo attenuate, ma anche l'eccitazione è stata "incanalata" verso il centro di reazione, permettendogli quindi di alimentare la successiva fotosintesi. Questo è il motivo per cui si chiama trasferimento di energia "guidato dalla decoerenza" e perché si dice che gli effetti quantistici si verificano "senza gli effetti negativi della decoerenza".

Le implicazioni per il calcolo quantistico sono però più sottili.

Si noti che la coerenza era praticamente scomparsa dopo 1ps (si noti che le oscillazioni di Rabi sono andate a 1ps). Ciò significa che la decoerenza è ancora negativa, in effetti molto peggio che in alcuni candidati quantistici come il silicio drogato con fosforo .

Detto in altro modo, la coerenza viene uccisa nel FMO entro circa 1ps, mentre nel silicio drogato con fosforo è stato fatto durare più di un trilione di volte più lungo di 1ps. Non dovresti essere sorpreso da questa differenza di 12 ordini di grandezza, dal momento che FMO non era pensato per essere un computer quantistico (è un ambiente umido, rumoroso, pieno di fonti di decoerenza), mentre gli esperimenti sul silicio drogato con fosforo sono stati fatti di proposito in condizioni che consentirebbero agli autori di ottenere il più lungo tempo di coerenza a temperatura ambiente possibile.

Quindi in sintesi:

• la decoerenza aiuta il lavoro di fotosintesi,
• la decoerenza si verifica rapidamente nel FMO (circa 1ps, rispetto ai secondi per alcuni candidati al controllo qualità)
• i computer quantistici basati su circuiti richiedono lunghi tempi di coerenza
• i computer quantistici basati su circuito non funzioneranno bene se la coerenza viene completamente persa dopo 1ps, specialmente se le porte quantistiche prendono 100 ns ciascuna (che è una stima realistica per i QC superconduttori).
• Pertanto non sceglierei le eccitazioni nei cromofori per i qudit in un computer quantistico basato su circuito. È meno probabile che un tale computer quantistico sia capace quanto le macchine attualmente prodotte dalle aziende reali che si stanno impegnando molto per realizzare buoni computer quantistici: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, ecc. Tutti usano sistemi superconduttori, non cromofori biologici).

La linea di fondo è che è molto interessante che siamo in grado di osservare la coerenza quantistica nel trasferimento di energia dell'FM tramite spettroscopia 2D coerente, ma questa coerenza non dura quasi quanto ne abbiamo bisogno per il calcolo quantistico a tolleranza d'errore, e i controlli di qualità che sono stati progettati in laboratorio appositamente per funzionare bene con il calcolo quantistico, hanno tempi di coerenza molto più lunghi. Altrimenti, IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, ecc. Utilizzerebbero cromofori biologici, non qubit superconduttori.Queste aziende sono ben consapevoli della coerenza quantistica nell'OFM. In effetti, come indicato nel mio primo paragrafo, Mohseni è stato il primo a scrivere sulla coerenza dell'FMO (nel 2008) in questa ondata che è iniziata dopo il documento di Engel del 2007. Indovina dove lavora Mohseni? Google. Hai detto che ENAQT è stato originariamente proposto da Patrick Rebentrost. Patrick lavora presso Xanadu, un'azienda che cerca di realizzare controlli di qualità fotonici, non controlli di qualità cromoforici. Il supervisore di dottorato di Patrick Alan Aspuru-Guzik che ha scritto (almeno) 4 dei documenti citati, incluso quello del DNA che hai pubblicato, è stato anche consulente di dottorato di diverse altre persone in Google e nei team quantistici di Rigetti.Queste aziende conoscono la coerenza nell'FMO, impiegano molti degli autori principali su quei documenti sull'OFM e se fosse una buona idea costruire un computer quantistico ispirato all'FMO, lo saprebbero, ma invece usano tutti qubit superconduttori e talvolta trappole ioniche o fotonica .