Чи попереду нас квантовий біокомп'ютер?

Тепер, коли нам відомо про біо / молекулярні інструменти, які дозволяють живим організмам боротися з квантовими обчисленнями, наприклад, фантазійні білки, які дозволяють птахам обробляти квантову когерентність (наприклад, квантова голка пташиного магнітного компаса або подвійна конусна локалізація та сезонна експресія. Запропонуйте a Роль у магнітоприйнятті для європейського криптохрома Робіна 4 ) Цікаво:

• Ці інструменти вже вирішують проблеми, які у вас (дослідники квантових обчислень) є?
• Чи є якась конкретна проблема, яку ці інструменти "повинні" вирішити якось, з чим ви боретеся у своїх лабораторіях?
• Чи можемо ми їх використати (хоча це означатиме зміщення парадигми до біотехнологій)?

"Чи квантовий біокомп'ютер попереду нас?"

Була проведена деяка робота з біокомп'ютерів , квантових обчислень , спінової хімії та магнітохімічних реакцій.

Корельовані пари радикалів - пари перехідних радикалів, створених одночасно, таким чином, що 2 спини електронів, по одному на кожен радикал, співвідносяться - на фотоактивних магніторецептивних білках, таких як криптохроми , не є квантовим обчисленням.

Див .: " Світлозалежне магнітоприйняття у птахів: аналіз поведінки під червоним світлом після попереднього впливу червоного світла " У. Вільчко, Гессон, Нолл та Р. Вільчко в журналі "Експериментальна біологія", 2004.

Дивіться статтю " Магнітоприйняття тварин на основі бачення " на веб-сайті QuantBioLab, дослідницькій групі «Квантова біологія та обчислювальна фізика», Університет Південної Данії (SDU):

Малюнок 6. Наведено напівкласичний опис впливу магнітного поля на радикальні пари між FADH та триптофаном у криптохромі. Неспарені спини електрон (S і S ) надходять до локального магнітного поля, що утворюється додаванням зовнішнього магнітного поля із внесками I та I2 Б 1 2$_1$$_2$$B$$_1$$_2$від ядерних спинів на два радикала. Спінальна прецесія постійно змінює відносну орієнтацію спіна, викликаючи синглетну (антипаралельну) триплетну (паралельну) взаємоперетворення, що лежить в основі ефекту магнітного поля. Електронний зворотний перехід від триптофану до FADH гасить активний стан криптохрому. Однак цей зворотний перехід може мати місце лише тоді, коли спини електронів перебувають у синглетному стані, і ця спінова залежність дозволяє зовнішньому магнітному полі впливати на активацію криптохрому.$B$

Малюнок 7. Схематична ілюстрація пташиного польоту та його важливих компонентів. Сітківка (a) перетворює зображення з оптичної системи ока в електричні сигнали, що надсилаються уздовж гангліозних клітин, утворюючи зоровий нерв до мозку. (b) Збільшений сегмент сітківки зображено схематично. (c) Сітківка складається з кількох клітинних шарів. Первинні сигнали, що виникають у зовнішніх сегментах стрижня і конуса, передаються в горизонтальну, біполярну, амакринну і гангліозні клітини. (d) Первинний сигнал фототрансдукції генерується в родопсині рецепторного білка, показаному схематично при значно зниженій щільності. Мембрани, що містять родопсин, утворюють диски товщиною ~ 20 нм, відстані один від одного ~ 15–20 нм.

У математичному відношенні компас на основі зору у птахів характеризується функцією фільтра, яка моделює магнітне поле, опосередковане модуляцією візуального сигналу, записаною на сітківці птаха (див. Рис. 8).

Малюнок 8. Панорамний вид на Франкфурт-на-Майні, Німеччина. Зображення показує краєвидну перспективу, записану з висоти польоту птаха 200 м над землею із вказаними кардинальними напрямками. Зорове поле змінюється за допомогою функції магнітного фільтра; візерунки показані для птаха, що дивиться на вісім кардинальних напрямків (N, NE, E, SE, S, SW, W і NW). Кут нахилу геомагнітного поля становить 66 °, є характерним значенням для регіону.

Створено біомеханічний комп'ютер . Bio4CompДослідницький проект, що фінансується ЄС, створив біомолекулярні машини розміром лише кілька мільярдів метра (нанометрів). Системи моторики актину-міозину та мікротрубочки-кінезину можуть вирішувати проблеми шляхом переміщення по нанофабрикованій мережі каналів, призначених представляти математичний алгоритм; підхід, який ми назвали "мережевою біокомп'ютацією". Щоразу, коли біомолекули досягають стику в мережі, вони або додають число до суми, яку вони обчислюють, або залишають її поза. Таким чином, кожна біомолекула діє як крихітний комп'ютер з процесором і пам'яттю. Хоча окрема біомолекула набагато повільніше, ніж сучасний комп'ютер, вони самостійно збираються, щоб їх можна було використовувати у великій кількості, швидко додаючи свою обчислювальну потужність. Приклад того, як це працює, показаний у відео на їх веб-сайті.

• Ці інструменти вже вирішують проблеми, які у вас (дослідники квантових обчислень) є?

• Чи є якась конкретна проблема, яку ці інструменти "повинні" вирішити якось, з чим ви боретеся у своїх лабораторіях?

• Чи можемо ми їх використати (хоча це означатиме зміщення парадигми до біотехнологій)?

"Перший крок у вирішенні математичних задач з мережевим біокомп'ютером - це кодування проблеми в мережевому форматі, щоб молекулярні двигуни, що вивчають мережу, могли вирішити проблему. Ми вже знайшли мережеві кодування для декількох проблем, повних NP, які є особливо важкими. Наприклад, ми зашифрували підмножину суми, точну обкладинку, булеву задоволеність та мандрівний продавець .

В рамках проекту Bio4Comp ми зосередимось на оптимізації цих кодувань, щоб вони могли бути ефективно вирішені з біологічними агентами та легше їх масштабувати. Аналогічні оптимізованим комп’ютерним алгоритмам, оптимізовані мережі можуть значно зменшити обчислювальну потужність (і, отже, кількість моторних білків), необхідних для пошуку правильного рішення. "- Джерело: Bio4Comp Research .

Інший цікавий документ, який підтримує мою відповідь про те, що радикальні пари не є квантовим комп'ютером, а є лише квантовою біохімічною реакцією, що демонструє спінову хімію, - це « Квантовий зонд та конструкція для хімічного компаса з магнітними наноструктурами » Jianming Cai (2018).

Вступ - Останнім часом спостерігається все більший інтерес до квантової біології, а саме до вивчення квантових ефектів у хімічній та біологічній системах, наприклад, у системі легкого збирання, пташиному компасі та нюховому сенсі. Основна мотивація - зрозуміти, як може бути використана квантова когерентність (заплутаність) для досягнення біологічних функцій. В якості ключового кроку до досягнення цієї мети бажано знайти інструменти, які дозволять виявити квантові ефекти в умовах навколишнього середовища. Кінцевою метою практичного інтересу у вивченні квантової біології є вчитися у природи та проектувати високоефективні пристрої, здатні імітувати біологічні системи для виконання важливих завдань, наприклад, збирання сонячної енергії та виявлення слабкого магнітного поля.

Як приклад квантової біології, механізм радикальної пари є інтригуючою гіпотезою пояснити здатність деяких видів реагувати на слабкі магнітні поля, наприклад, птахи, плодові мухи та рослини. Магнітохімічний компас міг знайти застосування у віддаленій магнітометрії, в магнітному картографуванні мікроскопічних або топографічно складних матеріалів, а також у зображенні за допомогою розсіювальних середовищ. Було продемонстровано, що синтетичний донорський мост-акцепторний компас, що складається з пов'язаного каротиноїду (С), порфірину (Р) та фулерену (F), може працювати при низькій температурі (193 K). Дивно, що така тріадна молекула є єдиним відомим прикладом, який експериментально продемонстрував, що він чутливий до геомагнітного поля (але не при кімнатній температурі).

...

Підсумок - Ми продемонстрували, що градієнтне поле може призвести до значного підвищення продуктивності хімічного компаса. Градієнтне поле також надає нам потужний інструмент для дослідження квантової динаміки реакцій радикальних пар у хімії спіна . Зокрема, він може розрізнити, чи початковий стан радикальної пари знаходиться в заплутаному синглетному стані або в класично корельованому стані, навіть у сценаріях, коли такої мети не можна було досягти раніше. Ці явища зберігаються при додаванні часткового орієнтаційного усереднення та додавання реалістичного магнітного шуму. Ефекти, передбачені там, можуть бути виявлені в компасі гібридної системи, що складається з магнітних наночастинок і радикальних пар в орієнтованому рідкому кристалічному господарі. Наша робота пропонує простий метод розробити / моделювати біологічно натхненний датчик слабкого магнітного поля на основі механізму радикальної пари з високою чутливістю, який може працювати при кімнатній температурі.

Багато було написано про квантову біологію . Дещо старе - і все ж тверде - це Філіп Бал, Зорі квантової біології (Природа 2011, 474, 271-274). На даний момент давайте не переглянемо це, а замість цього зосередимось на ваших питаннях.

Перше питання: ( чи вирішує це наші проблеми? )

Система (або процес), описана квантовою біологією, є нетривіально квантовою механікою , а тому цікава, але, наскільки мені відомо, вона також не є багатоквадратною , тому насправді не про те, що стосується квантових обчислень. Зокрема: відомі в даний час квантові біологічні процеси не мають масштабованості, а також не представляють квантових логічних воріт (або не так, як ми їх розуміємо принаймні), тим більше квантові алгоритми. Отже, як відповідь, це головне "ні": ці інструменти не вирішують наших проблем.

Щодо другого питання: ( чи вирішується конкретна проблема, з якою ми боремося? )

Надійна квантова когерентність у твердому стані, у складних структурованих системах та при високій температурі - це те, що ми всі хотіли б бачити вирішеними, і, принаймні, до певного моменту, це те, що стосується квантової біології. Отже, що стосується сучасного розуміння галузі, це справді специфічне питання, над яким працюють люди в лабораторіях і яке, здається, вирішене в біології (оскільки молекули - це складні наноструктури). Щоразу, коли ми зможемо у наших лабораторіях надійно досягти квантової узгодженості в твердому стані, у складних структурованих системах та при високій температурі, ми підскочимо набагато ближче до корисності та дешевизни. Отже, як відповідь, це так.

Третє питання: (чи можна використовувати біомолекули як квантове обладнання? )

Ще не кажучи, у головній лізі їх немає. Навіть в якості оптимістичної спекуляції я б сказав, що незабаром вони не будуть конкурувати з великими гравцями , але я вважаю, що, коли дослідження просуваються в минулому орігамі ДНК (і пов'язаних з ними стратегій) в молекулярній біології та синтетичній біології, точкові біомолекулярні кубіти будуть грати роль у підмножині молекулярних спінових кубітів. Зокрема, ключовим значенням було б поєднання (здавалося б, доведеного) узгодженості у незвичних умовах (теплих, вологих) з незрівнянною здатністю біомолекул для надзвичайно складної самоорганізації у функціональні структури. Оскільки (узгоджені, організовані) молекулярні спінові кубіти - це моє поле дослідження, дозвольте мені посилання на пару релевантних робіт. По-перше, перша реакція на першу магнітну молекулу, яка була конкурентоспроможною з точки зору узгодженості з регулярними твердими кандидатами, і, таким чином, як магнітні молекули повертаються в гонці до квантового комп'ютера . А також ця пропозиція (розкриття: я автор) в arXiv про те, чому і як можна використовувати пептиди як універсальні риштування для квантових обчислень .

Була проведена велика кількість наукових дискусій щодо доказів квантових ефектів у біології через труднощі відтворення наукових доказів. Деякі знайшли докази квантової узгодженості, а інші стверджують, що це не так. (Бал, 2018).

В останньому дослідницькому дослідженні (в Nature Chemistry, травень 2018 р. ) Знайдено докази конкретного коливального сигналу, що свідчить про суперпозиціювання. Вчені виявили квантові ефекти, які тривали точно так, як очікувалося на основі теорії, і довели, що вони належать до енергії, накладеної на дві молекули одночасно. Це призвело до висновку, що біологічні системи виявляють ті ж квантові ефекти, що і небіологічні системи.

Ці ефекти спостерігалися в реакційному центрі бактерій Fenna-Matthews-Olsen - Chlorobium Tepidum (Borroso-Flores, 2017).

Дослідження засвідчують, що розміри та масштаби часу процесів фотосинтетичної передачі енергії ставлять їх близько до квантової / класичної межі. Цьому є різні пояснення, але вони, схоже, вказують на енергетично шумний квантовий / класичний межа, ідеально підходить для контролю передачі енергії збудження. Керен 2018.

Квантова біологія як біологічні напівпровідники

Така динаміка в біології покладається на спінову хімію (радикальні пари), і було визнано, що "Деякі органічні напівпровідники (OLED) виявляють магнітоелектролюмінесценцію або магнітопровідність, механізм якої поділяє по суті ідентичну фізику з радикальними парами в біології"

 PJ Hore (2016).

Терміни "спінові сингли" та "трійки" вживаються в спінтроніці (при дослідженні напівпровідників), а термін радикальні пари (включаючи спінові сингли чи триплети) використовуються для обговорення спінової хімії в біології. Але всі терміни описують однакові явища (просто в різних дисциплінарних сферах). Нещодавно з'явилися міждисциплінарні заклики до інтеграції спінової хімії та спінтроніки на знак визнання цього J Matysik (2017).

Біологічні напівпровідники, які вже були визначені вченими, включають меланін та пептиди, а пептиди зараз досліджуються як риштування для квантових обчислень.

UltriaFast перенесення електронів та зберігання електронної інформації про спіна в ядерному віджимі

Під час фотосинтезу рослини використовують електронну когерентність для надшвидкої передачі енергії та електронів і вибрали специфічні коливання для підтримання цих узгодженостей. Таким чином фотосинтетичний перенос енергії та розділення заряду досягли своєї дивовижної ефективності. У той же час ці самі взаємодії використовуються для фотозахисту системи від небажаних побічних продуктів заготівлі світла та розділення заряду при високій інтенсивності світла

Ріенк ван Грондель.

Під час поділу заряду у фотосинтетичних реакційних центрах триплетні стани можуть реагувати з молекулярним киснем, генеруючи руйнівний синглетний кисень. Спостерігається, що вихід триплетних продуктів у бактерій та рослин знижується слабкими магнітними полями. Висловлено припущення, що цей ефект обумовлений твердотільною фотохімічно спричиненою динамічною ядерною поляризацією (фото-CIDNP), що є ефективним методом створення нерівноважної поляризації ядерних спинів за допомогою хімічних реакцій, які мають радикальні пари як проміжні речовини ( Адріана Марае 2015). У біології, наприклад, механізм може підвищити стійкість до окисного стресу.

Зазначено, що, мабуть, існує зв'язок між умовами появи фото-CIDNP в реакційних центрах та умовами неперевершеного ефективного передавання світла електронів у реакційних центрах. J Matysik 2009,  IF IF Cespedes-Camacho та J Matysik 2014. 

Ефект CIDNP спостерігався в реакційному центрі Fenna-Matthews-Olsen (Roy et al, 2006).

Ефект CIDNP також спостерігався при фланулін-аденінудинуклеотиді (FAD) ( Stob 1989) .

FAD пов'язаний з квантовими ефектами, теоретизованими в криптохромі та інших біологічно-відновних реакціях. Загальноприйнята теорія полягає в тому, що під час реакції на магнітні поля фотозбудження нековалентно пов'язаного кофактора флавіну-аденінудинуклеотиду (FAD) у криптохромі призводить до утворення радикальних пар за допомогою послідовних передач електронів уздовж "триптофану-тріади", ланцюг з трьох збережених залишків триптофану всередині білка. Цей процес зменшує фото-збуджений синглетний стан FAD до аніонного радикалу. Так само, як фото-CIDNP MAS NMR надав детальну інформацію про фотосинтетичний транспорт електронів в реакційних центрах, він передбачається в різних сферах застосування в механістичних дослідженнях інших фотоактивних білків.

"до цих пір жодного явища CIDNP не спостерігалося в спінтоніці, хоча можливість отримання таких ефектів була згадана:" Якщо виявлено, що ядерний спіновий резонанс впливає на спінозалежний транспорт електрона через гіпертонку взаємодії, зрештою навпаки. процес може стати можливим: зберігання електронної інформації спіну в ядерному спіні ».

 Дж. Матисик (2017).

Розширення Anin Post вище (я не зміг увійти до цього облікового запису, тому створив новий)

Межі квантової біології як біологічного напівпровідникового підходу

Квантова біологія не може просто вирішити практичні проблеми квантових обчислень, оскільки вони є, оскільки біологія не є просто формою напівпровідника або квантового комп'ютера.

Зауважу, що провідні вчені, такі як П. Дж. Хоре (цитується вище), що працюють над механізмом радикальної пари в біології, були зв'язані з дослідженнями ЯМР з самого початку. Ці науковці цілком можуть бути обізнані як про переваги, так і про помилки міждисциплінарної роботи. Один з головних ризиків академічного дослідження полягає в тому, що, проводячи паралелі між дисциплінами, ми можемо ігнорувати відмінності. Навряд чи складні адаптивні системи біології просто підходять до існуючих концептуалізації в обчислювальній техніці або фізиці. Це вимагає від науковців досліджувати явища як щось невідоме і має багато можливостей - деякі з яких можуть заперечувати будь-які попередні уявлення, які вони вже є.

Наприклад, зосередження уваги лише на механізмі радикальних пар у дослідженні квантової ефективності (в рамках біологічних процесів) буде мало обмежене використання, не розуміючи їх широкого контексту.

Розуміння контексту

Існує дослідження, що підтверджує взаємодію криптохрому з окислювально-відновлювальними та біологічними механізмами хроніки в моделях мишей (Harino et a, 2017 ). І все ширше існує все більша література про взаємодію окислювально-відновних та циркадних ритмів (у тому числі за допомогою циркадних ґратів) для багатьох рослин ( Guadagno et al, 2018) та видів тварин.

Останні роботи досліджували циркадні ритми породження ферментів реактивного кисню (ROS) та ферментів, що знищують ROS, та циркадні ритми фотосинтезу, що генерує ROS. Це було запропоновано

"враховуючи, що зміни швидкості фотосинтезу призводять до змін у виробництві синглетного кисню, циркадна регуляція фотосинтезу може спричинити ритми синглетного вироблення кисню". ( Simon et al, 2019 ).

Якщо ви хочете зрозуміти більше про циркадні ритми, я б запропонував перевірити роботу Альфреда Голдбетерса.

Біологія не розділяє все на окремі компоненти

Дія таких механізмів синхронізації має наслідки для квантової ефективності [ Garzia- Plazaola et al, 2017 ; Schubert et al, 2004 ) в рамках біології. Сорек і Леві (2012) також досліджували зв’язки з компенсацією температури.

У всіх відомих циркадних годинників спостерігається ендогенний період, який надзвичайно нечутливий до температури ( Kidd et al, 2015 )

З вищенаведених досліджень також видається, що біологія може розглядати світлову та температурну сигналізацію як інтегровану, а не відокремлену ( Franklin et al, 2014) .

І справа не лише у реакції на магнітні поля чи світло. Ген крику змінює фотоперетворення синього світла (<420 нм), яке впливає на біологічні годинники, просторову орієнтацію та таксі відносно сили тяжіння, магнітні поля, сонячне, місячне та небесне випромінювання у кількох видів ( Clayton, 2016)

Можлива роль для квантового рубцювання

Асоціації між періодичними орбітами та квантом були здійснені в квантовому рубцюванні - там, де системам заборонено дійти до термізації. Це може пояснити, чому рівняння, які можуть бути використані для моделювання дисипативних структур, які використовувались для моделювання біологічних коливань ( Альфред Голдбетер ), також можуть бути застосовані до інших полів. Наприклад, рівняння FKPP може бути використане для моделювання дисипативних структур, що виникають за допомогою реакції-дифузії (поширення нестабільних нелінійних хвиль фронтів / динаміка чисельності населення), а також квантової хромодинаміки ( Mueller and Munier, 2014 ) та швидкості, з якою магнітні фронти розповсюджуються в турбулентній електропровідної рідини. Наближення переходу для транспортування передбачає нескінченну швидкість поширення(Федотов та ін.).

Генеральний код?

Ви можете розглянути, як квантові біологічні системи можуть бути пов'язані з кодом. T він Фотон пропонований ресурс в квантових обчисленнях і зв'язку.

Фотони являють собою природні літаючі кубітні носії для квантової комунікації, а наявність телекомунікаційних оптичних волокон робить довжини хвиль 1310 нм та 1550 нм особливо придатними для поширення на великі відстані. Однак кубіти, закодовані в атоми лугу, які поглинають та випромінюють на довжинах хвиль близько 800 нм, були розглянуті для зберігання та обробки квантової інформації ( Tanzili et al, 2005 )

В біології існує механізм, відомий як спонтанна хемілюмінесценція (і за низкою інших назв, включаючи надвисокі викиди фотонів та біофотони).

Загальноприйнято, що (ці) фотони випромінюються (1) при ближньому УФА, видимому та поблизу ІЧ-спектральних діапазонах від 350 до 1300 нм та (2) при інтенсивності випромінювання фотона в межах від декількох одиниць до декількох сотень ( окислювальний метаболічний процес) і кілька сотень до кількох тисяч (процес окисного стресу) фотонів s − 1 см − 2. ( Cifra та Pospíšil, 2014 )

Цей механізм широко зустрічається в біології (як у рослин, так і тварин) і має місце там, де під час окислювальних стресових процесів утворюються збуджені в електронному вигляді ( Cifra et al, 2014 ), які пов'язані з виробництвом ROS ( Pospíšil et al, 2014 ) . На них можуть генеруватися і впливати різні подразники, включаючи магнітні поля ( Li, 2012 )

Мислення таке

різні молекулярні процеси можуть випромінювати фотони, і вони транспортуються до поверхні клітини енергією, що переносить екситони. Аналогічний процес переносить енергію фотонів через гігантські матриці білка під час фотосинтезу ( MIT technology review, 2012 ).

Цей механізм був пов'язаний із систематичними змінами енергетичного обміну, властивими циркадному циклу як у тварин, так і у рослин ( Footitt et al., 2016 та Kobayashi et al, 2009 ). Також було відмічено, що очевидною перевагою цього механізму є те, що він забезпечує просторово-часову інформацію ( Burgos et al, 2017 )

Було запропоновано, що фосфени (які можуть генеруватися у нашій зоровій корі у відповідь на різні подразники, включаючи світло та магнітне поле), є результатом ультра слабких фотонних викидів Császár et al, 2015 . Точні механізми, що стоять за цим, ще вивчаються, але у нас є різні білки, включаючи криптохром у власних сітківках ( Foley et al, 2011) . Фосфени генерують великий спектр геометричних форм і кольорів. Вони потенційно можуть діяти як код / пам'ять .

Яким може бути результат руйнування суперпозиції

Якщо суперпозиціювання 1 і 0 може бути сформовано, тоді слід задати питання, який результат цього згортається.

Метафорою для цього може стати крах багатостійких візуальних ілюзій - наприклад, куб Некера . Вони представляють можливість отримання декількох зображень і розглядаються як квантовий ефект .

Ми можемо розвалити такі ілюзії, вирішивши приділити нашу увагу конкретній можливості / образу. Вибір того, який образ ми будемо відвідувати, залежить від конкретних людей, і такий вибір є вподобанням. Вибір одного зображення не підтверджує це зображення вище всіх інших. Це просто вибір.

Ми закінчуємо лише одним вибором / інтерпретацією із багатьох можливостей. Застосування як пам’яті, так і прогнозування спричиняє інтерпретації чи побудови (із прогнозуванням сильно спираються на пам’ять), а не на правильну відповідь.

Руйнування суперпозицій потім може бути запобіжене шляхом уникнення такого вибору, або суперпозиціонування може бути встановлене заново за допомогою нових можливостей - наприклад, що утворюються внаслідок зміни навколишнього середовища.