Чи має квантова когерентність у комплексі FMO якесь значення для квантових обчислень (на біологічному субстраті)?

Квантові ефекти комплексу ФМО (фотосинтетичний комплекс заготівлі світла, виявлений у зелених сірчаних бактеріях) добре вивчені, а також квантові ефекти в інших фотосинтетичних системах. Однією з найпоширеніших гіпотез для пояснення цих явищ (зосередження уваги на комплексі FMO) є квантовий транспорт з підтримкою навколишнього середовища (ENAQT), спочатку описаний Rebentrost et al. . Цей механізм описує, як певні квантові мережі можуть "використовувати" декогерентність та вплив на навколишнє середовище для підвищення ефективності квантового транспорту. Зауважимо, що квантовий ефект виникає при транспортуванні екситонів від одного пігменту (хлорофілу) в комплексі до іншого. (Є питання, яке трохи більше детально обговорює квантові ефекти комплексу FMO).

Враховуючи, що цей механізм дозволяє здійснювати квантові ефекти при кімнатній температурі без негативних наслідків декогерентності, чи є їхні додатки для квантових обчислень? Є кілька прикладів штучних систем, які використовують ENAQT та пов'язані з ними квантові ефекти. Однак вони представляють біоміметичні сонячні батареї як потенційне застосування і не зосереджуються на застосуванні в квантових обчисленнях.

Спочатку було висунуто гіпотезу, що комплекс FMO виконує алгоритм пошуку Гровера, проте, наскільки я розумію, з тих пір було показано, що це неправда.

Було проведено пару досліджень, в яких використовуються хромофори та субстрати, які не зустрічаються в біології (дописи додамо пізніше). Однак я хотів би зосередитись на системах, які використовують біологічний субстрат.

Навіть для біологічних субстратів є кілька прикладів інженерних систем, які використовують ENAQT. Наприклад, була створена система, заснована на вірусах, за допомогою генної інженерії. ДНК на основі екситонної схема була також розроблена. Однак більшість із цих прикладів представляють фотоелектрику як основний приклад, а не квантові обчислення.

Ваттай та Кауффман (AFAIK) першими вивчили квантові ефекти як квантові біологічні обчислення, і запропонували метод розробки системи, подібної комплексу FMO для квантових обчислень.

$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$j n ∼ κ ρ n $κ$і може отримати доступ до струму в кожному центрі реакції, він буде пропорційний ймовірності знайти екситон на хромофорі .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Як можна використовувати квантові ефекти комплексу FMO на біологічному субстраті для квантових обчислень? Враховуючи, що квантові ефекти виникають внаслідок транспорту екситонів на мережевих структурах, чи може ENAQT забезпечити ефективнішу реалізацію мережевих алгоритмів (наприклад: найкоротший шлях, продавець подорожей тощо)?

PS Я додаю більш відповідні посилання, якщо це потрібно. Також сміливо додайте відповідні посилання.

Я погоджуюся з більшістю того, що ви написали в першому абзаці, хоча я б сказав, що приблизно в той же час (лише один місяць!), Як Rebentrost та ін. Пленіо та Хуельга, який ви згадали, опублікували дуже схожий документ під назвою "Транспортування, що сприяє дефазуванню: Квантові мережі в біомолекулах", і він фактично був опублікований у тому ж журналі, що і Rebentrost et al. папір, але на кілька місяців раніше. Також були випущені квантовими прогулянками з фотосинтетичною енергією Мохсени та ін., Які були опубліковані в arXiv на місяць раніше, ніж Rebentrost et al., Та опубліковані в журналі за 8 днів до статті Plenio-Huelga.

Але насправді за 13 років до всього цього Ненсі Макри та Юндзи Сім написали документи, що імітують повну квантову когерентність для перенесення електронів у бактеріохлорофілі (див. Це та це ). Також за 11 років до цього Нобелівський лауреат Руді Маркус використовував теорію Маркуса для вивчення передачі енергії в тій же системі, і написав цей огляд з цього приводу з 331 документами, переліченими в бібліографії.

Таким чином, використання квантової механіки для вивчення передачі енергії в бактеріохлорофілії сягає десятиліттями до цього Rebentrost et al. папір, і саме ви згадали папір Енгеля 2007 року, де вони пов’язали передачу енергії з квантовими обчисленнями, що створило нову хвилю інтересу (в тому числі в спільноті квантових обчислень, яка раніше не була зацікавлена ​​в передачі біологічної / хімічної енергії, приклади це два документи 2008 року, згадані в першому пункті, в яких були представлені автори з квантових обчислень, такі як Мартін Пленіо та Сет Ллойд).

Мені пощастило отримати можливість побачити розмову Боба Сілбі на засіданні Королівського товариства під назвою "Квантовий зв’язний перенос енергії: наслідки для біології та нових енергетичних технологій" менше ніж за 6 місяців до смерті, і він простежив квантову біологію назад до глави 4 Книга Шредінгера " Що таке життя? ", В якій розповідається про мутації, спричинені переносом електронів (про що ми зараз дізнаємось у біології середньої школи: УФ-випромінювання викликає збудження, що спричиняють формування димерів тиміну , що призводять до раку).

Речі стають цікавими у другому абзаці, коли ти кажеш:

Враховуючи, що цей механізм дозволяє здійснювати квантові ефекти при кімнатній температурі без негативних наслідків декогерентності, чи є їхні додатки для квантових обчислень?

У своїй відповіді на це я зазначив, що якби збудження були у вакуумі без режимів вакууму (у QED навіть у вакуумі є режими, які можуть взаємодіяти із збудженнями), то енергія просто передаватиметься туди-сюди ( коливання Рабі ) необмежено через квантову версію теореми про повторення Пуанкаре . Видно, що коли я ввімкнув декогерентність, ці коливання Рабі не просто притупилися, але й збудження було «перекинутесь» назустріч центру реакції, що дозволило йому підживити подальший фотосинтез. Ось чому це називається "керованою декогерентністю" передачею енергії, і чому ви говорите, що квантові ефекти відбуваються "без негативних наслідків декогерентності".

Наслідки для квантових обчислень є більш тонкими.

Зауважте, що когерентність практично зникла після 1пс (зауважте, коливання Рабі втрачаються на 1ps). Це означає, що декогерентність все ще погана, насправді набагато гірша, ніж у деяких квантових комп'ютерних кандидатів, таких як кремній, легований фосфором .

Зазначений інший спосіб, когерентність знищується в FMO протягом приблизно 1ps, тоді як у фосфорно-легованому кремнію він був зроблений більш ніж в трильйон разів довше 1ps. Ви не повинні дивуватися цій різниці в 12 порядків, оскільки ФМО не мав бути квантовим комп'ютером (це мокре, галасливе середовище, повне джерел декогерентності), тоді як експерименти з кремнію, леговані фосфором, були спеціально зроблені в умовах, які б дозволили авторам отримати найдовший когерентний час кімнатної температури.

Отже, підсумовуючи:

• декогерентність допомагає фотосинтезу працювати,
• прискореність трапляється швидко в FMO (приблизно для 1 кандидата в секунду проти секунд)
• Квантові комп'ютери на основі мікросхем вимагають тривалого часу узгодженості
• квантові комп'ютери на основі схем не спрацюють, якщо когерентність буде повністю втрачена після 1ps, особливо якщо квантові ворота приймають по 100ns кожна (що є реалістичною оцінкою для надпровідних КК).
• Тому я не вибирав би збудження в хромофорах для qudits в квантовому комп'ютері на основі схем. Такий квантовий комп’ютер рідше може бути таким же здатним, як машини, які зараз виготовляють реальні компанії, які дуже намагаються зробити хороші квантові комп'ютери: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba тощо. надпровідні системи, а не біологічні хромофори).

Суть полягає в тому, що дуже цікаво, що ми можемо спостерігати квантову когерентність передачі енергії ФМО за допомогою когерентної 2D-спектроскопії, але ця когерентність триває майже не так довго, як нам це потрібно для квантових обчислень, які мають стійкість до відмов, і КК, які були розроблені в лабораторії спеціально для успішної роботи в квантових обчисленнях, мають набагато довший час узгодженості. В іншому випадку IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba тощо будуть використовувати біологічні хромофори, а не надпровідні кубіти.Ці компанії добре знають про квантову узгодженість FMO. Насправді, як сказано в моєму першому абзаці, Мохсені вперше написав про узгодженість ФМС (у 2008 р.) На цій хвилі, що розпочалася після доповіді Енгеля 2007 року. Вгадайте, де працює Мохсени? Google. Ви сказали, що ENAQT був запропонований Патріком Ребентростом. Патрік працює в Xanadu, компанії, яка намагається робити фотонні КК, а не хромофорні КК. Науковий керівник доктора Патріка Алан Аспуру-Гузік, який був автором (принаймні) 4 згаданих робіт, включаючи ДНК, яку ви опублікували, був також доктором кандидатів наук багатьох інших людей у ​​квантових командах Google та Рігетті.Ці компанії знають про узгодженість у FMO, використовують багатьох провідних авторів у цих документах FMO, і якби було гарною ідеєю побудувати квантовий комп'ютер, натхненний FMO, вони знали б це, але натомість всі вони використовують надпровідні кубіти, а іноді іонні пастки або фотоніка .