Sự kết hợp lượng tử trong phức hợp FMO có bất kỳ ý nghĩa nào đối với điện toán lượng tử (trên chất nền sinh học) không?

Các hiệu ứng lượng tử của phức hợp FMO (phức hợp thu hoạch ánh sáng quang hợp được tìm thấy ở vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh lá cây) đã được nghiên cứu kỹ cũng như các hiệu ứng lượng tử trong các hệ thống quang hợp khác. Một trong những giả thuyết phổ biến nhất để giải thích hiện tượng này (tập trung vào phức hợp FMO) là Vận chuyển lượng tử hỗ trợ môi trường (ENAQT) ban đầu được mô tả bởi Rebentrost et al. . Cơ chế này mô tả làm thế nào các mạng lượng tử nhất định có thể "sử dụng" hiệu ứng trang trí và môi trường để cải thiện hiệu quả của vận chuyển lượng tử. Lưu ý rằng các hiệu ứng lượng tử phát sinh từ việc vận chuyển các exciton từ một sắc tố (diệp lục) trong phức hợp này sang phức hợp khác. (Có một câu hỏi thảo luận về các hiệu ứng lượng tử của phức hợp FMO chi tiết hơn một chút).

Cho rằng cơ chế này cho phép các hiệu ứng lượng tử diễn ra ở nhiệt độ phòng mà không có tác động tiêu cực của sự trang trí, có ứng dụng nào của chúng cho điện toán lượng tử không? Có một số ví dụ về các hệ thống nhân tạo sử dụng ENAQT và các hiệu ứng lượng tử liên quan. Tuy nhiên, họ trình bày pin mặt trời y sinh như một ứng dụng tiềm năng và không tập trung vào các ứng dụng trong điện toán lượng tử.

Ban đầu, người ta đưa ra giả thuyết rằng tổ hợp FMO thực hiện thuật toán tìm kiếm của Grover, tuy nhiên, từ những gì tôi hiểu, đến nay đã chứng minh rằng điều này không đúng.

Đã có một vài nghiên cứu sử dụng chromophores và chất nền không có trong sinh học (sẽ thêm tài liệu tham khảo sau). Tuy nhiên, tôi muốn tập trung vào các hệ thống sử dụng chất nền sinh học.

Ngay cả đối với các chất nền sinh học cũng có một vài ví dụ về các hệ thống được thiết kế sử dụng ENAQT. Ví dụ, một hệ thống dựa trên virus đã được phát triển bằng kỹ thuật di truyền. Một mạch kích thích dựa trên DNA cũng đã được phát triển. Tuy nhiên, hầu hết các ví dụ này trình bày quang điện như một ví dụ chính và không phải là điện toán lượng tử.

Vattay và Kauffman là (AFAIK) là người đầu tiên nghiên cứu các hiệu ứng lượng tử như điện toán sinh học lượng tử và đề xuất một phương pháp kỹ thuật một hệ thống tương tự như phức hợp FMO cho điện toán lượng tử.

Làm thế nào chúng ta có thể sử dụng cơ chế này để xây dựng các loại máy tính mới? Trong trường hợp thu hoạch ánh sáng, nhiệm vụ của hệ thống là vận chuyển exciton một cách nhanh nhất có thể đến trung tâm phản ứng có vị trí được biết đến. Trong một nhiệm vụ tính toán, chúng ta thường muốn tìm mức tối thiểu của một số hàm phức tạp $f_n$ . Để đơn giản, hãy để hàm này chỉ có các giá trị rời rạc từ 0 đến K. Nếu chúng ta có thể ánh xạ các giá trị của hàm này thành năng lượng vị trí tĩnh điện của các nhiễm sắc thể $H_{nn} = \epsilon_0 f_n$ và chúng ta triển khai các trung tâm phản ứng gần chúng bẫy các exciton với một số tỷ lệ$κ$và có thể truy cập dòng điện tại mỗi trung tâm phản ứng, nó sẽ tỷ lệ thuận với xác suất tìm thấy exciton trên chromophore .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Làm thế nào các hiệu ứng lượng tử của phức hợp FMO có thể được sử dụng trên chất nền sinh học cho điện toán lượng tử? Cho rằng các hiệu ứng lượng tử xảy ra do sự vận chuyển các exciton trên các cấu trúc mạng, ENAQT có thể cung cấp các triển khai hiệu quả hơn cho các thuật toán dựa trên mạng (ví dụ: đường đi ngắn nhất, nhân viên bán hàng du lịch, v.v.) không?

PS tôi sẽ thêm các tài liệu tham khảo phù hợp hơn nếu cần. Ngoài ra, hãy thoải mái để thêm các tài liệu tham khảo có liên quan là tốt.

Tôi đồng ý với hầu hết những gì bạn đã viết trong đoạn đầu tiên, mặc dù tôi sẽ nói rằng gần như cùng một lúc (chỉ cách nhau 1 tháng!) Như Rebentrost et al. bài báo mà bạn đề cập, một bài báo tương tự đã được đăng lên arXiv bởi Plenio và Huelga có tên là "Vận chuyển được hỗ trợ: Mạng lượng tử trong phân tử sinh học" và nó thực sự đã được xuất bản trong cùng một tạp chí với tên Rebentrost et al. giấy, nhưng một vài tháng trước đó. Ngoài ra còn có các bước đi lượng tử hỗ trợ môi trường của Mohseni và cộng sự trong Chuyển giao năng lượng quang hợp được đăng trên arXiv sớm hơn một tháng so với Rebentrost và cộng sự, và được công bố trên một tạp chí 8 ngày trước bài báo Plenio-Huelga.

Nhưng thực ra 13 năm trước tất cả những điều đó, Nancy Makri và Eunji Sim đã viết các bài báo mô phỏng sự kết hợp lượng tử đầy đủ để chuyển điện tử trong vi khuẩn diệp lục (xem cái này và cái này ). Cũng 11 năm trước đó, người đoạt giải Nobel Rudy Marcus đã sử dụng lý thuyết Marcus để nghiên cứu sự truyền năng lượng trong cùng hệ thống, và đã viết bài đánh giá này về chủ đề này với 331 bài viết được liệt kê trong thư mục.

Vì vậy, việc sử dụng cơ học lượng tử để nghiên cứu sự truyền năng lượng trong vi khuẩn diệp lục đã quay trở lại hàng thập kỷ trước khi Rebentrost et al. giấy, và đó là bài báo Engel năm 2007 mà bạn đã đề cập, nơi họ kết nối việc truyền năng lượng với điện toán lượng tử, tạo ra một làn sóng quan tâm mới (bao gồm cả cộng đồng điện toán lượng tử mà trước đây không quan tâm đến việc truyền năng lượng sinh học / hóa học là hai bài báo năm 2008 được đề cập trong đoạn đầu tiên, trong đó có các tác giả từ điện toán lượng tử như Martin Plenio và Seth Lloyd).

Tôi đã may mắn có cơ hội được xem cuộc nói chuyện của Bob Silbey tại cuộc họp của Hiệp hội Hoàng gia có tên là " Truyền năng lượng kết hợp lượng tử: Ý nghĩa đối với sinh học và công nghệ năng lượng mới" chưa đầy 6 tháng trước khi anh ta chết, và anh ấy đã theo dõi sinh học lượng tử trở lại Chương 4 của Cuốn sách " Cuộc sống là gì? " Của Schrödinger nói về đột biến là nguyên nhân của sự chuyển điện tử (mà chúng ta học trong sinh học ở trường trung học: Bức xạ tia cực tím gây ra các kích thích làm giảm thymine hình thành , dẫn đến ung thư).

Điều thú vị trong đoạn thứ hai của bạn khi bạn nói:

Cho rằng cơ chế này cho phép các hiệu ứng lượng tử diễn ra ở nhiệt độ phòng mà không có tác động tiêu cực của sự trang trí, có ứng dụng nào của chúng cho điện toán lượng tử không?

Trong câu trả lời của tôi , tôi đã chỉ ra rằng nếu các kích thích ở trong chân không không có chế độ chân không (trong QED, thì ngay cả chân không cũng có các chế độ có thể tương tác với các kích thích), thì năng lượng sẽ chỉ truyền qua lại ( dao động Rabi ) vô thời hạn do phiên bản lượng tử của định lý tái phát Poincaré . Bạn có thể thấy rằng khi tôi bật tính năng trang trí, các dao động Rabi này không bị ẩm, mà còn kích thích được "phễu" về phía trung tâm phản ứng, do đó cho phép nó tạo ra sự quang hợp tiếp theo. Đây là lý do tại sao nó được gọi là truyền năng lượng "theo hướng trang trí" và tại sao bạn nói rằng các hiệu ứng lượng tử diễn ra "mà không có các tác động tiêu cực của sự trang trí".

Ý nghĩa của điện toán lượng tử là tinh tế hơn.

Lưu ý rằng sự kết hợp thực tế đã biến mất sau 1ps (chú ý các dao động Rabi biến mất ở 1ps). Điều này có nghĩa là tính trang trí vẫn còn tệ, trên thực tế còn tệ hơn nhiều so với một số ứng cử viên máy tính lượng tử như silicon pha tạp phốt pho .

Nói một cách khác, sự kết hợp bị giết trong FMO trong khoảng 1ps, trong khi đó trong silicon pha tạp phốt pho, nó được tạo ra để kéo dài hơn một nghìn tỷ lần dài hơn 1ps. Bạn không nên ngạc nhiên về sự khác biệt 12 bậc độ lớn này, vì FMO không có nghĩa là một máy tính lượng tử (nó là một môi trường ẩm ướt, ồn ào, đầy các nguồn trang trí), trong khi các thí nghiệm silicon pha tạp phốt pho được thực hiện một cách có chủ đích trong điều kiện cho phép các tác giả có được thời gian kết hợp nhiệt độ phòng dài nhất có thể.

Vì vậy, tóm lại:

• trang trí giúp quang hợp làm việc,
• sự xuất hiện diễn ra nhanh chóng trong FMO (khoảng 1ps, so với giây đối với một số ứng cử viên QC)
• máy tính lượng tử dựa trên mạch đòi hỏi thời gian kết hợp dài
• Máy tính lượng tử dựa trên mạch sẽ không hoạt động tốt nếu mất kết nối hoàn toàn sau 1ps, đặc biệt nếu các cổng lượng tử mất 100ns mỗi (đây là ước tính thực tế cho QC siêu dẫn).
• Do đó, tôi sẽ không chọn các kích thích trong chromophores cho các qudits trong máy tính lượng tử dựa trên mạch. Một máy tính lượng tử như vậy ít có khả năng như các máy hiện đang được sản xuất bởi các công ty thực sự đang rất nỗ lực để tạo ra các máy tính lượng tử tốt: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, v.v. hệ thống siêu dẫn, không phải là nhiễm sắc thể sinh học).

Điểm mấu chốt là rất thú vị khi chúng ta có thể quan sát sự kết hợp lượng tử trong quá trình truyền năng lượng của FMO thông qua quang phổ 2D kết hợp, nhưng sự kết hợp này không kéo dài gần như chúng ta cần để tính toán lượng tử chịu lỗi, và QC đã được thiết kế trong phòng thí nghiệm đặc biệt để hoạt động tốt trong điện toán lượng tử, có thời gian kết hợp lâu hơn nhiều. Mặt khác, IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, v.v. sẽ sử dụng các nhiễm sắc thể sinh học, chứ không phải các qubit siêu dẫn.Những công ty này nhận thức rõ về sự gắn kết lượng tử trong FMO. Trong thực tế như đã nêu trong đoạn đầu tiên của tôi, Mohseni là người đầu tiên viết về sự gắn kết trong FMO (năm 2008) trong làn sóng này bắt đầu sau bài báo năm 2007 của Engel. Đoán xem Mohseni làm việc ở đâu? Google. Bạn nói ENAQT ban đầu được đề xuất bởi Patrick Rebentrost. Patrick làm việc tại Xanadu, một công ty đang cố gắng tạo ra QC quang tử, chứ không phải QC sắc ký. Giám sát viên tiến sĩ của Patrick, Alan Aspuru-Guzik, tác giả (ít nhất) 4 trong số các bài báo được đề cập, bao gồm cả DNA mà bạn đã đăng, cũng là cố vấn tiến sĩ của nhiều người khác trong các nhóm lượng tử của Google và Rigetti.Các công ty này biết về sự gắn kết trong FMO, sử dụng nhiều tác giả chính trên các bài báo FMO đó và nếu đó là một ý tưởng tốt để xây dựng một máy tính lượng tử lấy cảm hứng từ FMO, họ sẽ biết, nhưng thay vào đó họ đều sử dụng các qubit siêu dẫn và đôi khi bẫy ion hoặc quang tử .