Квантовая запутанность может быть секретом сверхбыстрого перемещения энергии в живой природе
Исследование учёных из Университета Райс указывает на то, что квантовая запутанность может быть тем секретным механизмом, который позволяет природе перемещать энергию с чрезвычайно высокой скоростью. Такие процессы, как фотосинтез в листьях растений, напрямую зависят от быстрого и эффективного переноса энергии между молекулами. На протяжении десятилетий наука задавалась вопросом, играет ли квантовая механика роль в этой удивительной эффективности. Новые симуляции демонстрируют, что перенос энергии между молекулярными узлами происходит быстрее, если она начинается в запутанном, делокализованном состоянии, а не из одной конкретной точки.
Чтобы исследовать этот феномен, команда создала упрощённую молекулярную модель. Она включала донорный участок, где энергия поглощается, и акцепторный, куда энергия должна была в конечном итоге попасть. Между этими двумя точками энергия могла перемещаться скачками различной длины. Исследователи также учли в модели влияние окружающей среды, такое как вибрации, которые могут как нарушать, так и способствовать потоку энергии. Центральной задачей было выяснить, перемещается ли энергия быстрее, если она изначально локализована на одном участке, или если она делокализована, то есть размазана в виде квантовой суперпозиции по нескольким донорным участкам одновременно.
Результаты однозначно продемонстрировали преимущество запутанных состояний. «Делокализация начального возбуждения по нескольким узлам ускоряет перенос способами, которые недостижимы при старте с единственного центра», — пояснил Гвидо Пагано, доцент кафедры физики и астрономии и автор-корреспондент исследования. Он отметил, что это преимущество сохраняется даже при наличии внешних шумов. «Начальное состояние в виде квантовой суперпозиции предоставляет системе больше путей для переноса. Наши симуляции показывают, что возникающая когерентность позволяет осуществить более быстрый перенос к акцептору даже в условиях воздействия внешней среды», — добавил Пагано.
Полученные данные свидетельствуют, что ускорение переноса для запутанных начальных состояний остаётся стабильным при широком диапазоне параметров, включая силу связи со средой, дальность взаимодействий и степень структурного беспорядка. Это указывает на то, что природа, возможно, использует запутанность и когерентность для оптимизации скорости переноса возбуждения, тем самым повышая надёжность этого процесса. Исследование подчёркивает более широкую перспективу: если природные системы используют квантовые эффекты для максимизации эффективности, то инженеры могут копировать эти приёмы в искусственных системах. В перспективе это может привести к созданию солнечных элементов, которые используют когерентность для более эффективного перемещения энергии, снижая потери и повышая производительность.
Хотя модель была намеренно простой, исследователи полагают, что она закладывает полезную основу для понимания работы более сложных молекул. Они предполагают, что экспериментальную проверку этих выводов можно провести на управляемых квантовых платформах, таких как системы с захваченными ионами. «Наша цель — создать мост между абстрактным миром квантовой информации и конкретными механизмами, наблюдаемыми в биологии, — сказал Диего Фальяс Падилья, первый автор исследования и выпускник Университета Райс. — Это исследование служит шагом к демонстрации того, что квантовая когерентность представляет собой не просто теоретический курьёз, а практический элемент замысла природы».
Связывая принципы науки о квантовой информации с потоком энергии в живых системах, эта работа открывает путь для сотрудничества между физикой, химией и биологией. Она также подчёркивает, как запутанность, часто ассоциирующаяся с футуристическими вычислениями, может уже лежать в основе процессов, находящихся в самой основе жизни.
Исследование опубликовано в журнале .