Quantum Light Harvesting hints naar een geheel nieuwe vorm van computergebruik

Natuurkundigen weten al lang dat planten en bacteriën licht op een enorm efficiënte manier omzetten in chemische energie. Maar pas de laatste jaren hebben ze ontdekt dat de moleculaire machines achter dit proces afhankelijk zijn van de kwantummechanica om het werk te doen.

Dat is een grote verrassing vanwege de temperaturen die ermee gemoeid zijn. Kwantumtoestanden zijn zeer kwetsbaar: nies en ze verdwijnen in een rookwolk. Natuurkundigen kunnen deze toestanden enige tijd handhaven in zorgvuldig gecontroleerde omgevingen bij lage temperaturen, maar niemand kan uitleggen hoe dit mogelijk is in de warme, natte omgevingen in levende wezens.

Vandaag hebben Gabor Vattay van de Eotvos University in Boedapest en Stuart Kauffman van de University of Vermont in Burlington het antwoord. Ze zeggen dat de processen achter het oogsten van licht een speciale mix zijn van het kwantum en het klassieke. En dat deze delicate mix een geheel nieuwe vorm van computergebruik vertegenwoordigt die de natuur ook in andere systemen zou kunnen gebruiken.

De kwantumprocessen die in lichtoogstsystemen moeten worden bestudeerd, vinden plaats in een structuur die bekend staat als het Fenna-Matthews-Olson of FMO-complex, een enorm pigmenteiwit dat deel uitmaakt van de lichtverzamelende machinerie in groene zwavelbacteriën. In deze eiwitstructuren zijn reactiecentra ingebed die de energie van licht omzetten in chemische energie.

Wanneer licht het FMO-complex raakt, moet de energie door de eiwitmatrix reizen totdat het een reactiecentrum bereikt. En verbazingwekkend genoeg vindt deze overdracht plaats met een efficiëntie van bijna 100 procent.

Dat is een raadsel, want de enige manier waarop de lichtenergie een reactiecentrum kan vinden, is door willekeurig door het eiwitnetwerk te stuiteren, als een afketsende biljartbal. Dit proces zou te lang duren, veel langer dan de nanoseconde die nodig is voordat de lichtenergie in de omgeving verdwijnt en verloren gaat.

Het energieoverdrachtsproces kan dus niet klassiek op deze manier plaatsvinden. In plaats daarvan hebben natuurkundigen verschillende bewijzen verzameld waaruit blijkt dat de energieoverdracht een kwantumproces is.

Het denken gaat als volgt. Omdat energie in een superpositie van toestanden kan bestaan, kan het tegelijkertijd verschillende routes door het netwerk afleggen. En wanneer het de juiste bestemming vindt, stort de superpositie in en laat de energie achter in het reactiecentrum. Het resultaat is een bijna perfecte overdracht van energie.

Maar Vattay en Kauffman zeggen dat dit soort puur kwantumproces ook niet verantwoordelijk kan zijn. Dat komt omdat een aantal kwantumprocessen de beweging van kwantumobjecten door willekeurige netwerken zoals deze vertragen. Kwantummechanica heeft ook nadelige effecten, zeggen ze.

Een van deze partypoopers staat bekend als Anderson-lokalisatie, een fenomeen dat de verspreiding van kwantumtoestanden in willekeurige media voorkomt. Omdat de kwantumtoestand zich als een golf gedraagt, is hij kwetsbaar voor interferentie-effecten, waardoor hij zich niet in een willekeurig netwerk voortplant.

Een ander voorbeeld is het kwantum zeno-effect, het paradoxale fenomeen waarin een onstabiele toestand nooit verandert als er continu naar wordt gekeken. Dat komt omdat kijken een reeks metingen omvat die de staat constant een duwtje geven, zodat deze niet instort. Dit is de kwantumversie van het 'watch-pot-never-kookt'-effect.

Iets soortgelijks gebeurt met de kwantumtoestand van de energie tijdens het oogsten van licht. Deze kwantumtoestand zal onvermijdelijk interageren met de omgeving, maar deze interacties werken als metingen. Dit veroorzaakt een kwantum zeno-achtig effect dat voorkomt dat de toestand in het reactiecentrum instort. Op deze manier kan de energieoverdracht dus niet plaatsvinden, zeggen Vattay en Kauffman.

In plaats daarvan stellen ze een nieuw proces voor waarin het kwantumzoekmechanisme en de interactie met de omgeving worden gecombineerd om Anderson-lokalisatie te overwinnen. Het is het samenspel tussen deze processen dat de energie optimaal aan het reactiecentrum levert, zeggen ze.

Het idee is dat de interactie met de omgeving de golfachtige aard van de kwantumtoestand net genoeg verandert om Anderson-lokalisatie te voorkomen. Tegelijkertijd verlengt het kwantum zeno-effect de levensduur van de kwantumtoestand, waardoor deze zijn weg naar het reactiecentrum kan vinden. Het is dit samenspel tussen de kwantumwereld en de klassieke wereld die de energieoverdracht mogelijk maakt.

Dat verklaart het kwantumachtige gedrag van lichtoogstprocessen bij kamertemperatuur. Maar Vattay en Kauffman zeggen dat het idee andere belangrijke implicaties heeft. Het probleem van het vinden van een reactiecentrum in een eiwitmatrix is ​​formeel gelijk aan veel andere problemen in de informatica. Het zou dus mogelijk moeten zijn om light-harvesting om te buigen naar de taak van computergebruik door het ene probleem op het andere in kaart te brengen.

Dat zou de rekensnelheid bij kamertemperatuur drastisch kunnen verbeteren. Computers op basis van kunstlicht-oogstcomplexen zouden eenheden kunnen hebben met een 100-1000 keer grotere efficiëntie bij kamertemperatuur, zeggen Vattay en Kauffman.

Bovendien kan dit soort berekeningen in de natuur al aan het werk zijn. Aangezien de realisatie van dit mechanisme nu relatief eenvoudig lijkt, is het een belangrijke vraag of het is gerealiseerd in lichte oogstsystemen of ook aanwezig is in andere biologische transport- of optimalisatieprocessen. Vooral in het menselijk brein, zeggen ze.

Als ze gelijk hebben, zou dit nieuwe soort berekening in korte tijd een golf van belangstelling kunnen genereren.

Referentie: arxiv.org/abs/1311.4688 : Evolutionair ontwerp in biologische kwantumcomputers

zich verstoppen