¿La coherencia cuántica en el complejo FMO tiene algún significado para la computación cuántica (en un sustrato biológico)?

Los efectos cuánticos del complejo FMO (complejo de captación de luz fotosintética que se encuentra en las bacterias de azufre verde) han sido bien estudiados, así como los efectos cuánticos en otros sistemas fotosintéticos. Una de las hipótesis más comunes para explicar estos fenómenos (centrándose en el complejo FMO) es el Transporte Cuántico Asistido por el Medio Ambiente (ENAQT) originalmente descrito por Rebentrost et al. . Este mecanismo describe cómo ciertas redes cuánticas pueden "usar" la decoherencia y los efectos ambientales para mejorar la eficiencia del transporte cuántico. Tenga en cuenta que los efectos cuánticos surgen del transporte de excitones de un pigmento (clorofila) en el complejo a otro. (Hay una pregunta que discute los efectos cuánticos del complejo FMO con un poco más de detalle).

Dado que este mecanismo permite que los efectos cuánticos tengan lugar a temperatura ambiente sin los efectos negativos de la decoherencia, ¿ son sus aplicaciones para la computación cuántica? Hay algunos ejemplos de sistemas artificiales que utilizan ENAQT y efectos cuánticos relacionados. Sin embargo, presentan las células solares biomiméticas como una aplicación potencial y no se centran en las aplicaciones de la computación cuántica.

Originalmente, se planteó la hipótesis de que el complejo FMO realiza un algoritmo de búsqueda de Grover, sin embargo, por lo que entiendo, ahora se ha demostrado que esto no es cierto.

Ha habido un par de estudios que utilizan cromóforos y sustratos que no se encuentran en biología (agregarán referencias más adelante). Sin embargo, me gustaría centrarme en los sistemas que utilizan un sustrato biológico.

Incluso para sustratos biológicos hay un par de ejemplos de sistemas de ingeniería que usan ENAQT. Por ejemplo, se desarrolló un sistema basado en virus usando ingeniería genética. Un circuito excitónica basado en el ADN también se desarrolló. Sin embargo, la mayoría de estos ejemplos presentan la energía fotovoltaica como un ejemplo principal y no la computación cuántica.

Vattay y Kauffman fueron (AFAIK) los primeros en estudiar los efectos cuánticos como la computación biológica cuántica, y propusieron un método para diseñar un sistema similar al complejo FMO para la computación cuántica.

$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$y puede acceder a la corriente en cada centro de reacción, será proporcional a la probabilidad de encontrar el excitón en el cromóforo .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

¿Cómo se pueden usar los efectos cuánticos del complejo FMO en un sustrato biológico para la computación cuántica? Dado que los efectos cuánticos ocurren debido al transporte de excitones en las estructuras de la red, ¿podría ENAQT proporcionar implementaciones más eficientes de algoritmos basados ​​en la red (por ejemplo: ruta más corta, vendedor ambulante, etc.)?

PD: Agregaré referencias más relevantes si es necesario. Además, siéntase libre de agregar referencias relevantes también.

Estoy de acuerdo con la mayoría de lo que ha escrito en el primer párrafo, aunque diría que más o menos al mismo tiempo (¡con solo 1 mes de diferencia!) Como el Rebentrost et al. Plenio y Huelga publicaron un artículo muy similar en arXiv llamado "Transporte asistido difamatorio: redes cuánticas en biomoléculas" y en realidad se publicó en la misma revista que Rebentrost et al. papel, pero unos meses antes. También hubo caminatas cuánticas asistidas por el medio ambiente de Mohseni et al. En la transferencia de energía fotosintética publicaron en ArXiv los Un mes antes que Rebentrost et al., Y se publicó en una revista 8 días antes del artículo de Plenio-Huelga.

Pero en realidad 13 años antes de todo eso, Nancy Makri y Eunji Sim escribieron artículos que simulaban la coherencia cuántica completa para la transferencia de electrones en bacterioclorofilas (ver esto y esto ). También 11 años antes de eso, el Premio Nobel Rudy Marcus usó la teoría de Marcus para estudiar la transferencia de energía en el mismo sistema, y ​​escribió esto revisión sobre el tema con 331 artículos enumerados en la bibliografía.

Entonces, el uso de la mecánica cuántica para estudiar la transferencia de energía en bacterioclorofila se remonta a décadas antes de que Rebentrost et al. que mencionó en el documento de Engel de 2007, donde conectaron la transferencia de energía a la computación cuántica, lo que creó una nueva ola de interés (incluso en la comunidad de computación cuántica que anteriormente no estaba interesada en la transferencia de energía biológica / química, ejemplos siendo los dos documentos de 2008 mencionados en el primer párrafo, que presentaron autores de la computación cuántica como Martin Plenio y Seth Lloyd).

Tuve la suerte de tener la oportunidad de ver la charla de Bob Silbey en la reunión de la Royal Society llamada "Transferencia de energía coherente cuántica: implicaciones para la biología y las nuevas tecnologías energéticas" menos de 6 meses antes de su muerte, y rastreó la biología cuántica hasta el Capítulo 4 de El libro de Schrödinger " ¿Qué es la vida? ", Que habla sobre las mutaciones causadas por la transferencia de electrones (que ahora aprendemos en la biología de la escuela secundaria: la radiación UV causa excitaciones que hacen que se formen dímeros de timina , lo que conduce al cáncer).

Las cosas se ponen interesantes en tu segundo párrafo cuando dices:

Dado que este mecanismo permite que los efectos cuánticos tengan lugar a temperatura ambiente sin los efectos negativos de la decoherencia, ¿son sus aplicaciones para la computación cuántica?

En mi respuesta a esto , señalé que si las excitaciones estuvieran en un vacío sin modos de vacío (en QED, incluso un vacío tiene modos que pueden interactuar con las excitaciones), entonces la energía simplemente se transferiría de un lado a otro ( oscilaciones Rabi ) indefinidamente debido a la versión cuántica del teorema de recurrencia de Poincaré . Puede ver que cuando encendí la decoherencia, estas oscilaciones de Rabi no solo se amortiguaron, sino que también la excitación se "canalizó" hacia el centro de reacción, lo que le permitió alimentar la fotosíntesis posterior. Es por eso que se llama transferencia de energía "impulsada por la decoherencia", y por qué usted dice que los efectos cuánticos tienen lugar "sin los efectos negativos de la decoherencia".

Sin embargo, las implicaciones para la computación cuántica son más sutiles.

Observe que la coherencia prácticamente desapareció después de 1ps (observe que las oscilaciones de Rabi desaparecen a 1ps). Esto significa que la decoherencia sigue siendo mala, de hecho, mucho peor que en algunas computadoras cuánticas como el silicio dopado con fósforo .

Dicho de otra manera, la coherencia se elimina en el FMO en aproximadamente 1ps, mientras que en el silicio dopado con fósforo se hizo que dure más de un billón de veces más de 1ps. No debe sorprenderse por esta diferencia de 12 órdenes de magnitud, ya que el FMO no estaba destinado a ser una computadora cuántica (es un ambiente húmedo, ruidoso, lleno de fuentes de decoherencia), mientras que los experimentos de silicio dopado con fósforo se realizaron a propósito en condiciones que permitirían a los autores obtener el mayor tiempo posible de coherencia a temperatura ambiente.

Entonces en resumen:

• la decoherencia ayuda al trabajo de fotosíntesis,
• la decoherencia ocurre rápidamente en el FMO (aproximadamente 1ps, vs segundos para algunos candidatos de CC)
• Las computadoras cuánticas basadas en circuitos requieren largos tiempos de coherencia
• Las computadoras cuánticas basadas en circuitos no funcionarán bien si la coherencia se pierde por completo después de 1ps, especialmente si las puertas cuánticas toman 100ns cada una (que es una estimación realista para los CC superconductores).
• Por lo tanto, no elegiría excitaciones en cromóforos para los qudits en una computadora cuántica basada en circuitos. Es menos probable que una computadora cuántica de este tipo sea tan capaz como las máquinas que actualmente fabrican las compañías reales que se esfuerzan por hacer buenas computadoras cuánticas: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, etc. sistemas superconductores, no cromóforos biológicos).

La conclusión es que es muy interesante que podamos observar la coherencia cuántica en la transferencia de energía del FMO a través de una espectroscopía 2D coherente, pero esta coherencia no dura tanto como lo necesitamos para la computación cuántica tolerante a fallas, y los QC que han sido diseñados en el laboratorio específicamente para funcionar bien en la computación cuántica, tienen tiempos de coherencia mucho más largos.De lo contrario, IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, etc. estarían utilizando cromóforos biológicos, no qubits superconductores.Esas empresas son muy conscientes de la coherencia cuántica en el FMO. De hecho, como se indicó en mi primer párrafo, Mohseni fue el primero en escribir sobre la coherencia en el FMO (en 2008) en esta ola que comenzó después del artículo de Engel de 2007. Adivina dónde trabaja Mohseni? Google Dijiste que ENAQT fue originalmente propuesto por Patrick Rebentrost. Patrick trabaja en Xanadu, una compañía que intenta hacer QC fotónicos, no QC cromóforos. El supervisor de doctorado de Patrick, Alan Aspuru-Guzik, autor (al menos) de 4 de los documentos mencionados, incluido el ADN que publicó, también fue asesor de doctorado de muchas otras personas en los equipos cuánticos de Google y Rigetti.Estas compañías conocen la coherencia en el FMO, emplean a muchos de los autores principales en esos documentos FMO, y si fuera una buena idea construir una computadora cuántica inspirada en el FMO, lo sabrían, pero en su lugar todos usan qubits superconductores y, a veces trampas de iones o fotónica .