A coerência quântica no complexo FMO tem algum significado para a computação quântica (em um substrato biológico)?

Os efeitos quânticos do complexo FMO (complexo fotossintético de captação de luz encontrado nas bactérias verdes do enxofre) foram bem estudados, assim como os efeitos quânticos em outros sistemas fotossintéticos. Uma das hipóteses mais comuns para explicar esse fenômeno (com foco no complexo FMO) é o Transporte Quântico Assistido pelo Ambiente (ENAQT), descrito originalmente por Rebentrost et al. . Este mecanismo descreve como certas redes quânticas podem "usar" efeitos de decoerência e ambiente para melhorar a eficiência do transporte quântico. Note-se que os effectss quânticos surgem do transporte de excitons de um pigmento (clorofila) no complexo para outro. (Há uma pergunta que discute os efeitos quânticos do complexo FMO com um pouco mais de detalhes).

Dado que esse mecanismo permite que efeitos quânticos ocorram à temperatura ambiente sem os efeitos negativos da decoerência, há alguma aplicação para a computação quântica? Existem alguns exemplos de sistemas artificiais que utilizam ENAQT e efeitos quânticos relacionados. No entanto, eles apresentam células solares biomiméticas como uma aplicação potencial e não se concentram nas aplicações da computação quântica.

Originalmente, foi levantada a hipótese de que o complexo FMO executa um algoritmo de busca de Grover, no entanto, pelo que entendi, agora foi demonstrado que isso não é verdade.

Houve alguns estudos que usam cromóforos e substratos não encontrados na biologia (acrescentará referências posteriormente). No entanto, gostaria de me concentrar em sistemas que usam um substrato biológico.

Mesmo para substratos biológicos, existem alguns exemplos de sistemas de engenharia que usam o ENAQT. Por exemplo, um sistema baseado em vírus foi desenvolvido usando engenharia genética. Um circuito excitônico baseado em DNA também foi desenvolvido. No entanto, a maioria desses exemplos apresenta a energia fotovoltaica como exemplo principal e não a computação quântica.

Vattay e Kauffman foram (AFAIK) os primeiros a estudar os efeitos quânticos como computação biológica quântica e propuseram um método de engenharia de um sistema semelhante ao complexo FMO para computação quântica.

Como poderíamos usar esse mecanismo para criar novos tipos de computadores? No caso de colheita leve, a tarefa do sistema é transportar o exciton da maneira mais rápida possível para o centro de reação cuja posição é conhecida. Em uma tarefa computacional, geralmente gostaríamos de encontrar o mínimo de alguma função complexa . Pela simplicidade, deixe que essa função tenha apenas valores discretos de 0 a K. Se somos capazes de mapear os valores dessa função para as energias do local eletrostático dos cromóforos H n n = ϵ 0 f n e implantamos centros de reação próximos a eles prendendo os excitons com alguma taxa$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$e pode acessar a corrente em cada centro de reação, será proporcional à probabilidade de encontrar o exciton no cromóforo .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Como os efeitos quânticos do complexo FMO podem ser usados ​​em um substrato biológico para a computação quântica? Dado que os efeitos quânticos ocorrem devido ao transporte de excitons nas estruturas de rede, o ENAQT poderia fornecer implementações mais eficientes de algoritmos baseados em rede (por exemplo: caminho mais curto, vendedor ambulante etc.)?

PS Adicionarei referências mais relevantes, se necessário. Além disso, fique à vontade para adicionar referências relevantes também.

Concordo com a maior parte do que você escreveu no primeiro parágrafo, embora eu diria isso aproximadamente ao mesmo tempo (com apenas 1 mês de diferença!) Que Rebentrost et al. No artigo que você mencionou, um artigo muito semelhante foi publicado no arXiv por Plenio e Huelga, chamado "Desassociando o transporte assistido: redes quânticas em biomoléculas" e, na verdade, foi publicado no mesmo periódico que Rebentrost et al. papel, mas alguns meses antes. Também houve Caminhadas Quânticas Assistidas pelo Ambiente de Mohseni et al. Em Transferência de Energia Fotossintética postadas no arXiv um mês antes de Rebentrost et al. E publicadas em um diário 8 dias antes do artigo Plenio-Huelga.

Mas, na verdade, 13 anos antes de tudo isso, Nancy Makri e Eunji Sim escreveram artigos simulando a coerência quântica completa para a transferência de elétrons em bacterioclorofilas (veja isto e isto ). Também 11 anos antes disso, o Prêmio Nobel Rudy Marcus usou a teoria de Marcus para estudar transferência de energia no mesmo sistema, e escreveu esta resenha sobre o assunto com 331 artigos listados na bibliografia.

Portanto, o uso da mecânica quântica para estudar a transferência de energia na bacterioclorofila remonta a décadas antes disso Rebentrost et al. papel, e foi o trabalho de Engel de 2007 que você mencionou, onde eles conectaram a transferência de energia à computação quântica, que criou uma nova onda de interesse (inclusive na comunidade de computação quântica que anteriormente não estava interessada em transferência de energia biológica / química, exemplos sendo os dois artigos de 2008 mencionados no primeiro parágrafo, que continham autores de computação quântica como Martin Plenio e Seth Lloyd).

Tive a sorte de ver a palestra de Bob Silbey na reunião da Royal Society chamada "Transferência de energia coerente quântica: implicações para a biologia e novas tecnologias energéticas" menos de seis meses antes de sua morte, e ele rastreou a biologia quântica no Capítulo 4 de O livro de Schrödinger " What is Life? ", Que fala sobre mutações causadas por transferência de elétrons (que agora aprendemos na biologia do ensino médio: a radiação UV causa excitações que causam a formação de dímeros de timina , levando ao câncer).

As coisas ficam interessantes no seu segundo parágrafo quando você diz:

Dado que esse mecanismo permite que efeitos quânticos ocorram à temperatura ambiente sem os efeitos negativos da decoerência, existem aplicações para a computação quântica?

Na minha resposta a esta I salientou que, se as excitações estavam em um vácuo sem modos de vácuo (em QED, mesmo um vácuo tem modos que podem interagir com as excitações), então a energia seria apenas transferir e para trás ( oscilações de Rabi ) indefinidamente devido à versão quântica do teorema da recorrência de Poincaré . Você pode ver que, quando ativei a decoerência, essas oscilações de Rabi não apenas foram amortecidas, mas também a excitação foi "canalizada" em direção ao centro de reação, permitindo, assim, alimentar a fotossinese subsequente. É por isso que é chamado de transferência de energia "orientada por decoerência" e por que você diz que os efeitos quânticos ocorrem "sem os efeitos negativos da decoerência".

As implicações para a computação quântica são mais sutis.

Observe que a coerência praticamente desapareceu após 1ps (observe que as oscilações de Rabi diminuíram em 1ps). Isso significa que a decoerência ainda é ruim, de fato muito pior do que em alguns candidatos a computadores quânticos, como o silício dopado com fósforo .

Dito de outra maneira, a coerência é morta no FMO em cerca de 1ps, enquanto no silício dopado com fósforo foi feito para durar mais de um trilhão vezes mais que 1ps. Você não deve se surpreender com essa diferença de 12 ordens de magnitude, já que o FMO não era para ser um computador quântico (é um ambiente úmido, barulhento e cheio de fontes de decoerência), enquanto os experimentos de silício dopado com fósforo foram feitos de propósito. em condições que permitiriam aos autores obter o maior tempo possível de coerência à temperatura ambiente.

Então, em resumo:

• decoerência ajuda o trabalho de fotossíntese,
• a descoerência ocorre rapidamente no FMO (aproximadamente 1ps, vs segundos para alguns candidatos a CQ)
• computadores quânticos baseados em circuito requerem longos tempos de coerência
• os computadores quânticos baseados em circuito não terão bom desempenho se a coerência for completamente perdida após 1ps, especialmente se os portões quânticos levarem 100ns cada (o que é uma estimativa realista para CQs supercondutores).
• Portanto, eu não escolheria excitações em cromóforos para os qudits em um computador quântico baseado em circuito. É menos provável que um computador quântico seja tão capaz quanto as máquinas atualmente fabricadas pelas empresas reais que estão tentando arduamente fabricar bons computadores quânticos: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, etc. sistemas supercondutores, não cromóforos biológicos).

A conclusão é que é muito interessante observar a coerência quântica na transferência de energia do FMO via espectroscopia 2D coerente, mas essa coerência não dura quase o tempo necessário para a computação quântica tolerante a falhas, e os QCs que foram projetados em laboratório especificamente para um bom desempenho na computação quântica, têm tempos de coerência muito mais longos.Caso contrário, IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, etc. estariam usando cromóforos biológicos, não qubits supercondutores.Essas empresas estão bem conscientes da coerência quântica no FMO. De fato, como afirmado no meu primeiro parágrafo, Mohseni foi o primeiro a escrever sobre coerência no FMO (em 2008) nessa onda que começou após o artigo de Engel em 2007. Adivinha onde Mohseni trabalha? Google. Você disse que o ENAQT foi originalmente proposto por Patrick Rebentrost. Patrick trabalha na Xanadu, uma empresa que tenta fazer QCs fotônicos, não cromofóricos. O supervisor de PhD de Patrick, Alan Aspuru-Guzik, que escreveu (pelo menos) quatro dos artigos mencionados, incluindo o DNA que você publicou, também foi o orientador de PhD de várias outras pessoas nas equipes quânticas do Google e Rigetti.Essas empresas conhecem a coerência no FMO, empregam muitos dos principais autores desses documentos e, se fosse uma boa idéia construir um computador quântico inspirado no FMO, eles o conheceriam, mas, em vez disso, todos usam qubits supercondutores e, às vezes, armadilhas de íons ou fotônicos .