Опережает ли Квантовая Биокомпьютинг?

Теперь, когда мы знаем о био / молекулярных инструментах, которые позволяют живым организмам иметь дело с квантовыми вычислениями, например, причудливые белки, которые позволяют птицам справляться с квантовой когерентностью (например, квантовая стрелка птичьего магнитного компаса или модель двухконусной локализации и сезонной экспрессии, предложите Роль в магниторецепции для европейского робина-криптохрома 4 ) Интересно:

• Эти инструменты уже решают проблемы, которые есть у вас (исследователей квантовых вычислений)?
• Есть ли какая-то конкретная проблема, которую эти инструменты «должны» каким-то образом решать, с которой вы боретесь в своих лабораториях?
• Можем ли мы их использовать (хотя это будет означать сдвиг парадигмы в сторону биотехнологии)?

"Квантовая биокомпьютинг впереди нас?"

Была проделана определенная работа в области биокомпьютеров , квантовых вычислений , спиновой химии и магнитохимических реакций.

Коррелированные пары радикалов - пары переходных радикалов, созданных одновременно, так что 2 электронных спина, по одному на каждый радикал, коррелированы - на фотоактивных магниторецептивных белках, таких как криптохромы , не является квантовым вычислением.

См .: « Зависимая от света магниторецепция у птиц: анализ поведения под красным светом после предварительного воздействия красного света », W. Wiltschko, Gesson, Noll, R. Wiltschko, Journal of Experimental Biology, 2004.

См. Статью « Магниторецепция животных на основе видения» на веб-сайте QuantBioLab, исследовательская группа по квантовой биологии и вычислительной физике, Университет Южной Дании (SDU):

$_1$$_2$$B$$_1$$_2$$B$

Рисунок 7. Схематическое изображение птичьего полета и его важных компонентов. Сетчатка (а) преобразует изображения из оптической системы глаза в электрические сигналы, посылаемые вдоль ганглиозных клеток, образующих зрительный нерв к мозгу. (б) Увеличенный сегмент сетчатки показан схематически. (в) Сетчатка состоит из нескольких клеточных слоев. Первичные сигналы, возникающие в наружных сегментах палочек и колбочек, передаются в горизонтальные, биполярные, амакриновые и ганглиозные клетки. (d) Первичный сигнал фототрансдукции генерируется в рецепторном белке родопсина, схематически показанном при значительно уменьшенной плотности. Мембраны, содержащие родопсин, образуют диски толщиной ~ 20 нм, находящиеся на расстоянии ~ 15–20 нм друг от друга.

В математическом плане зрительный компас у птиц характеризуется функцией фильтра, которая моделирует опосредованную магнитным полем модуляцию визуального сигнала, записанную на сетчатке птицы (см. Рис. 8).

Рисунок 8. Панорамный вид на Франкфурт-на-Майне, Германия. На снимке показана ландшафтная перспектива, записанная с высоты птичьего полета 200 м над землей с указанием основных направлений. Поле зрения изменяется с помощью функции магнитного фильтра; образцы показаны для птицы, смотрящей на восемь основных направлений (N, NE, E, SE, S, SW, W и NW). Угол наклона геомагнитного поля составляет 66 °, что является характерным значением для региона.

Был создан биомеханический компьютер . Bio4CompИсследовательский проект, финансируемый ЕС, создал биомолекулярные машины, каждая из которых имеет размер всего несколько миллиардных долей метра (нанометров). Системы подвижности актин-миозин и микротрубочки-кинезин могут решать проблемы, перемещаясь через наноструктурированную сеть каналов, разработанных для представления математического алгоритма; подход, который мы назвали «сетевым биокомпьютером». Всякий раз, когда биомолекулы достигают соединения в сети, они либо добавляют число к сумме, которую они рассчитывают, либо пропускают ее. Таким образом, каждая биомолекула действует как крошечный компьютер с процессором и памятью. В то время как отдельная биомолекула намного медленнее, чем текущий компьютер, они самоорганизуются, поэтому их можно использовать в больших количествах, что быстро увеличивает их вычислительную мощность. Пример того, как это работает, показан в видео на их сайте.

• Эти инструменты уже решают проблемы, которые есть у вас (исследователей квантовых вычислений)?

• Есть ли какая-то конкретная проблема, которую эти инструменты «должны» каким-то образом решать, с которой вы боретесь в своих лабораториях?

• Можем ли мы их использовать (хотя это будет означать сдвиг парадигмы в сторону биотехнологии)?

«Первым шагом в решении математических задач с помощью сетевых биокомпьютеров является кодирование проблемы в сетевой формат, чтобы молекулярные двигатели, исследующие сеть, могли решить эту проблему. Мы уже нашли сетевые кодировки для нескольких NP-полных задач, которые особенно сложны решить с помощью электронных компьютеров. Например, мы закодировали сумму подмножества, точное покрытие, логическое удовлетворение и коммивояжера .

В рамках проекта Bio4Comp мы сосредоточимся на оптимизации этих кодировок, чтобы их можно было эффективно решать с помощью биологических агентов и быстрее расширять их. Аналогично оптимизированным компьютерным алгоритмам, оптимизированные сети могут значительно снизить вычислительную мощность (и, следовательно, количество моторных белков), необходимую для поиска правильного решения. "- Источник: Bio4Comp Research .

Другая интересная статья, подтверждающая мой ответ о том, что радикальные пары не составляют квантовый компьютер, а представляет собой просто квантовую биохимическую реакцию, демонстрирующую спиновую химию, - это « Квантовый зонд и конструкция для химического компаса с магнитными наноструктурами », автор Jianming Cai (2018).

Вступление. - В последнее время возрос интерес к квантовой биологии, а именно к исследованию квантовых эффектов в химических и биологических системах, например, в системе сбора света, птичьем компасе и обонятельном смысле. Основная мотивация - понять, как квантовая когерентность (запутанность) может быть использована для выполнения биологических функций. В качестве ключевого шага к этой цели желательно найти инструменты, которые могут обнаруживать квантовые эффекты в условиях окружающей среды. Конечная цель практического интереса в изучении квантовой биологии состоит в том, чтобы учиться у природы и проектировать высокоэффективные устройства, которые могут имитировать биологические системы для выполнения важных задач, например, сбора солнечной энергии и обнаружения слабого магнитного поля.

В качестве примера квантовой биологии механизм радикальных пар представляет собой интригующую гипотезу, объясняющую способность некоторых видов реагировать на слабые магнитные поля, например птиц, плодовых мух и растений. Магнитохимический компас может найти применение в дистанционной магнитометрии, в магнитном картировании микроскопических или топографически сложных материалов, а также для получения изображений через рассеивающие среды. Было продемонстрировано, что синтетический компас донор-мостик-акцептор, состоящий из связанного каротиноида (C), порфирина (P) и фуллерена (F), может работать при низкой температуре (193 K). Удивительно, что такая молекула триады является единственным известным примером, который был экспериментально продемонстрирован чувствительным к геомагнитному полю (но не при комнатной температуре).

...

Резюме. - Мы продемонстрировали, что градиентное поле может привести к значительному улучшению характеристик химического компаса. Градиентное поле также предоставляет нам мощный инструмент для исследования квантовой динамики радикальных парных реакций в спиновой химии . В частности, он может различать, находится ли исходное состояние радикальной пары в запутанном синглетном состоянии или в классически коррелированном состоянии, даже в тех случаях, когда такая цель не могла быть достигнута до, Эти явления сохраняются после добавления частичного ориентационного усреднения и добавления реалистичного магнитного шума. Предсказанные эффекты могут быть обнаружены в компасе гибридной системы, состоящей из магнитных наночастиц и радикальных пар в ориентированном жидкокристаллическом хозяине. Наша работа предлагает простой метод проектирования / моделирования биологически вдохновленного датчика слабого магнитного поля на основе механизма радикальной пары с высокой чувствительностью, который может работать при комнатной температуре.

Многое было написано о квантовой биологии . Несколько старым - и все же солидным - взятием Филиппа Болла «Рассвет квантовой биологии» (Nature 2011, 474, 271-274). А пока давайте не будем рассматривать это, а сосредоточимся на ваших вопросах.

По первому вопросу: ( это решает наши проблемы? )

Система (или процесс), описанная Квантовой Биологией, нетривиально квантовая механика , и поэтому интересна, но, насколько мне известно, она также не мультикубитная , так что на самом деле не о квантовых вычислениях. В частности: известные в настоящее время квантовые биологические процессы не представляют масштабируемость и не представляют квантовые логические элементы (или, по крайней мере, не так, как мы их понимаем), тем более квантовые алгоритмы. Таким образом, как ответ, в основном нет: эти инструменты не решают наши проблемы.

По второму вопросу: ( это решение конкретной проблемы, с которой мы боремся? )

Надежная квантовая когерентность в твердом состоянии, в сложных структурированных системах и при высокой температуре - это то, что мы все хотели бы видеть решенными, и, по крайней мере, до некоторой степени, это то, чем занимается квантовая биология. Итак, что касается современного понимания области, это действительно конкретная проблема, над которой работают люди в лабораториях, и которая кажется решенной в биологии (поскольку молекулы представляют собой сложные наноструктуры). Всякий раз, когда мы можем в наших лабораториях надежно достичь квантовой когерентности в твердом состоянии, в сложных структурированных системах и при высокой температуре, мы будем приближаться к полезности и дешевизне. Так что, как ответ, это да.

По третьему вопросу: ( можем ли мы использовать биомолекулы в качестве квантового оборудования? )

Они еще не в главной лиге, если не сказать больше. Даже в качестве оптимистического предположения, я бы сказал, что они не будут конкурировать с крупными игроками в ближайшее время, но я верю, что, поскольку исследования продвигают прошлое ДНК-оригами (и связанные стратегии) ​​в Молекулярной биологии и синтетической биологии, в некоторых точечные биомолекулярные кубиты будут играть роль в подмножестве молекулярных спиновых кубитов, В частности, ключом к актуальности будет сочетание (казалось бы доказанной) когерентности в необычных условиях (тепло, влажно) с непревзойденной способностью биомолекул к чрезвычайно сложной самоорганизации в функциональные структуры. Поскольку (когерентные, организованные) молекулярные спиновые кубиты являются моей областью исследований, позвольте мне дать ссылку на пару соответствующих статей. Во-первых, первая реакция на первую магнитную молекулу, которая была конкурентоспособной с точки зрения когерентности с обычными твердотельными кандидатами и, следовательно, как магнитные молекулы возвращаются в гонку к квантовому компьютеру . А также, это предложение (раскрытие: я автор) на arXiv о том, почему и как можно использовать пептиды в качестве универсальных каркасов для квантовых вычислений .

Было много научных дискуссий по поводу доказательств квантовых эффектов в биологии из-за трудностей воспроизведения научных данных. Некоторые нашли доказательства квантовой когерентности, в то время как другие утверждали, что это не так. (Ball, 2018).

В самом последнем исследовании (в журнале Nature Chemistry, май 2018 г. ) были обнаружены свидетельства специфического колебательного сигнала, указывающего на суперпозицию. Ученые нашли квантовые эффекты, которые продолжались именно так, как и ожидалось, основываясь на теории, и доказали, что они относятся к энергии, наложенной на две молекулы одновременно. Это привело к заключению, что биологические системы проявляют те же квантовые эффекты, что и небиологические системы.

Эти эффекты наблюдались в реакционном центре бактерий Фенна-Мэтьюз-Олсен - Chlorobium Tepidum (Borroso-Flores, 2017).

Исследования показывают, что размеры и временные масштабы процессов переноса фотосинтетической энергии приближают их к квантовой / классической границе. Существуют различные объяснения этому, но они, похоже, указывают на то, что энергетически шумящий квантовый / классический предел идеален для управления передачей энергии возбуждения. Керен 2018.

Квантовая биология как биологические полупроводники

Такая динамика в биологии опирается на спиновую химию (радикальные пары), и было признано, что «некоторые органические полупроводники (ОСИД) обладают магнитоэлектролюминесценцией или магнитопроводностью, механизм которой по существу идентичен физике с радикальными парами в биологии».

 PJ Hore (2016).

Термины «спиновые синглеты» и «триплеты» используются в спинтронике (при исследовании полупроводников), а термин радикальные пары (включая спиновые синглеты или триплеты) используются для обсуждения химии спинов в биологии. Но все термины описывают одни и те же явления (только в разных дисциплинарных сферах). Недавно были отмечены междисциплинарные призывы к интеграции спиновой химии и спинтроники в знак признания этого J Matysik (2017).

Биологические полупроводники, которые уже были идентифицированы учеными, включают меланин и пептиды, а пептиды в настоящее время исследуются в качестве каркаса для квантовых вычислений.

Передача электронов UltriaFast и хранение информации об электронном спине в ядерном спине

Во время фотосинтеза растения используют электронную когерентность для сверхбыстрой передачи энергии и электронов и выбирают определенные вибрации для поддержания этой когерентности. Таким образом, передача фотосинтетической энергии и разделение заряда достигли своей удивительной эффективности. В то же время эти же взаимодействия используются для фотозащиты системы от нежелательных побочных продуктов сбора света и разделения заряда при высокой интенсивности света.

Риенк ван Гронделл.

При разделении зарядов в реакционных центрах фотосинтеза триплетные состояния могут реагировать с молекулярным кислородом, генерируя разрушительный синглетный кислород. Наблюдается снижение выхода триплетного продукта у бактерий и растений из-за слабых магнитных полей. Предполагается, что этот эффект обусловлен твердотельной фотохимически индуцированной динамической поляризацией ядер (фото-CIDNP), которая является эффективным методом создания неравновесной поляризации ядерных спинов с использованием химических реакций, в которых в качестве промежуточных продуктов используются радикальные пары ( Адриана Марэ 2015). В биологии такой механизм может повысить устойчивость к окислительному стрессу.

Отмечено, что, по-видимому, существует связь между условиями возникновения фото-CIDNP в реакционных центрах и условиями непревзойденного эффективного светоиндуцированного переноса электронов в реакционных центрах. J Matysik 2009,  IF Cespedes-Camacho и J Matysik 2014. 

Эффект CIDNP наблюдался в реакционном центре Фенна-Мэтьюз-Олсен (Roy et al 2006).

Эффект CIDNP также наблюдался в флавин-адениндинуклеотиде (FAD) ( Stob 1989) .

FAD участвует в квантовых эффектах, теоретизированных в криптохроме и других биологических окислительно-восстановительных реакциях. Широко распространенная теория состоит в том, что во время реакции на магнитные поля фотовозбуждение нековалентно связанного кофактора флавин-адениндинуклеотида (FAD) в криптохроме приводит к образованию радикальных пар посредством последовательных переносов электронов вдоль «триптофан-триады», цепь из трех консервативных остатков триптофана в белке. Этот процесс приводит к уменьшению фотовозбужденного синглетного состояния ФАД до анион-радикала. Подобно тому, как ЯМР фото-CIDNP обеспечивает детальное представление о переносе фотосинтетических электронов в реакционных центрах, он ожидается в различных областях механистических исследований. других фотоактивных белков.

«До сих пор в спинтронике не наблюдалось никакого явления CIDNP, хотя упоминалась возможность получения таких эффектов.« Если обнаружено, что ядерный спиновый резонанс оказывает влияние на спин-зависимый транспорт электронов из-за сверхтонкого взаимодействия, в конечном итоге происходит обратное. процесс может стать возможным: хранение информации о электронном спине в ядерном спине ».

 J Matysik (2017).

Расширение Anin Post выше (я не смог войти обратно в эту учетную запись, поэтому создайте новую)

Пределы квантовой биологии как биологический полупроводниковый подход

Квантовая биология не может просто решить практические проблемы квантовых вычислений в их нынешнем виде - поскольку биология - это не просто форма полупроводника или квантового компьютера.

Я отмечаю, что ведущие ученые, такие как PJ Hore (цитируется выше), работающие над механизмом радикальных пар в биологии, с самого начала были тесно связаны с исследованиями ЯМР. Эти ученые могут хорошо знать как преимущества, так и недостатки междисциплинарной работы. Один из основных рисков в рамках академического обучения заключается в том, что проводя параллели между дисциплинами, мы можем игнорировать различия. Маловероятно, что сложные адаптивные системы биологии будут просто соответствовать существующим концептуализациям в области вычислительной техники или физики. Это требует, чтобы ученые исследовали явления как нечто неизвестное и обладающее многими возможностями - некоторые из которых могут бросить вызов любым предубеждениям, которые у них уже есть.

Например, сосредоточение внимания только на механизме радикальных пар в исследованиях квантовой эффективности (в рамках биологических процессов) будет иметь ограниченное применение без понимания их более широкого контекста.

Понимание контекста

Существуют исследования, подтверждающие взаимодействие криптохрома с окислительно-восстановительными и биологическими механизмами синхронизации на моделях мышей (Harino et al, 2017 ). И все более широкое распространение получает литература о взаимодействии окислительно-восстановительных и циркадных ритмов (в том числе посредством циркадных стробировок) для многих растений ( Guadagno et al, 2018) и видов животных.

В недавней работе были исследованы циркадные ритмы генерации реактивных видов кислорода (АФК) и ферментов, поглощающих АФК, а также циркадные ритмы фотосинтеза, генерирующего АФК. Было высказано предположение, что

«Учитывая, что изменения в скорости фотосинтеза приводят к изменениям в производстве синглетного кислорода, циркадная регуляция фотосинтеза может привести к ритмам производства синглетного кислорода». ( Simon et al, 2019 ).

Если вы хотите больше узнать о циркадных ритмах, я бы посоветовал проверить работу Альфреда Голдбетера.

Биология не разделяет все на отдельные компоненты

Работа таких механизмов синхронизации имеет значение для квантовой эффективности [ Garzia-Plazaola et al, 2017 ; Шуберт и др., 2004 ) в биологии. Сорек и Леви (2012) также исследовали связь с температурной компенсацией.

Все известные циркадные часы имеют эндогенный период, который удивительно нечувствителен к температуре ( Kidd et al, 2015 )

Из вышеприведенного исследования также может показаться, что биология может рассматривать световые и температурные сигналы как интегрированные, а не разделенные ( Franklin et al, 2014) .

И это не просто реакция на магнитные поля или свет. Ген cry изменяет фототрансдукцию синего света (<420 нм), которая влияет на биологические часы, пространственную ориентацию и такси в зависимости от силы тяжести, магнитных полей, солнечного, лунного и небесного излучения у нескольких видов ( Clayton, 2016)

Возможная роль для квантового рубцевания

Связи между периодическими орбитами и квантом были сделаны в квантовом рубцевании - где системы не могут достичь термизации. Это может объяснить, почему уравнения, которые можно использовать для моделирования диссипативных структур, которые были использованы для моделирования биологических колебаний ( Альфред Голдбетер ), также могут быть применены к другим областям. Например, уравнение FKPP можно использовать для моделирования диссипативных структур, возникающих в результате реакции-диффузии (распространение неустойчивых нелинейных волновых фронтов / динамики населения), а также квантовой хромодинамики ( Mueller and Munier, 2014 ) и скорости, с которой магнитные фронты распространяться в турбулентной электропроводящей жидкости. Диффузионное приближение для транспорта допускает бесконечную скорость распространения(Федотов и др.).

Генеративный код?

Вы могли бы рассмотреть вопрос о том, как квантовые биологические системы могут быть связаны с кодом. T он Фотон предлагаемый ресурс в квантовых вычислениях и связи.

Фотоны представляют собой естественные летающие носители кубитов для квантовой связи, а наличие телекоммуникационных оптических волокон делает длины волн 1310 нм и 1550 нм особенно подходящими для распространения на большие расстояния. Однако кубиты, закодированные в щелочные атомы, которые поглощают и излучают на длинах волн около 800 нм, были рассмотрены для хранения и обработки квантовой информации ( Tanzili et al, 2005 )

В биологии существует механизм, известный как спонтанная хемилюминесценция (и под многими другими названиями, включая ультраслабые фотонные излучения и биофотоны).

Общепринято, что (эти) фотоны испускаются (1) в ближнем УФА, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра от 350 до 1300 нм и (2) при интенсивности излучения фотонов в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен ( окислительный метаболический процесс) и от нескольких сотен до нескольких тысяч (процесс окислительного стресса) фотонов с − 1 см − 2. ( Cifra and Pospíšil, 2014 )

Этот механизм широко распространен в биологии (как у растений, так и у животных) и имеет место, когда электронно-возбужденные виды образуются во время процессов окислительного стресса ( Cifra et al, 2014 ), которые связаны с продукцией ROS ( Pospíšil et al, 2014 ) , Они могут генерироваться и подвергаться влиянию различных раздражителей, в том числе магнитных полей ( Li, 2012 )

Мысль в том, что

Различные молекулярные процессы могут испускать фотоны и переносить их на поверхность клетки с помощью экситонов, несущих энергию. Подобный процесс переносит энергию фотонов через гигантские белковые матрицы во время фотосинтеза ( обзор технологий MIT, 2012 ).

Этот механизм был связан с систематическими изменениями энергетического обмена, присущими циркадному циклу как у животных, так и у растений ( Footitt et al, 2016 и Kobayashi et al, 2009 ). Также было отмечено, что явным преимуществом этого механизма является то, что он предоставляет пространственно-временную информацию ( Бургос и др., 2017 )

Было высказано предположение, что фосфены (которые могут генерироваться в нашей зрительной коре в ответ на различные раздражители, в том числе световые и магнитные поля) являются результатом ультраслабых излучений фотонов Császár et al, 2015 . Точные механизмы этого все еще изучаются, но у нас есть различные белки, включая криптохром, в наших собственных сетчатках ( Foley et al, 2011) . Фосфены генерируют широкий спектр геометрических форм и цветов. Они могут потенциально действовать как код / память .

Что может быть результатом разрушения суперпозиции

Если можно сгенерировать суперпозицию 1 и 0, тогда нужно задать вопрос, каков результат этого.

Метафорой для этого может быть разрушение мультистабильных визуальных иллюзий, таких как куб Неккера . Они представляют возможность нескольких изображений и были исследованы как квантовый эффект .

Мы можем разрушить такие иллюзии, решив уделить внимание определенной возможности / образу. Выбор того, какое изображение мы посещаем, варьируется у разных людей, и такой выбор является предпочтением. Выбор одного изображения не подтверждает это изображение выше всех других. Это просто выбор.

В итоге мы получаем только один выбор / интерпретацию из множества возможностей. Таким образом, применение как памяти, так и предсказания приводит к интерпретациям или конструкциям (причем предсказание опирается в значительной степени на память), а не к правильному ответу.

Разрушение суперпозиций может быть предотвращено путем отказа от такого выбора, или суперпозиция может быть вновь установлена ​​с помощью новых возможностей - например, созданных в результате изменений окружающей среды.