Имеет ли квантовая когерентность в комплексе FMO какое-либо значение для квантовых вычислений (на биологической подложке)?

Квантовые эффекты комплекса FMO (фотосинтетического комплекса сбора света, обнаруженного у зеленых серных бактерий) хорошо изучены, а также квантовые эффекты в других фотосинтетических системах. Одной из наиболее распространенных гипотез для объяснения этого явления (с упором на комплекс FMO) является Квантовый перенос с помощью среды (ENAQT), первоначально описанный Rebentrost et al. , Этот механизм описывает, как определенные квантовые сети могут «использовать» эффекты декогеренции и окружающей среды для повышения эффективности квантового транспорта. Отметим, что квантовые эффекты возникают в результате транспорта экситонов от одного пигмента (хлорофилла) в комплексе к другому. (Есть вопрос, который обсуждает квантовые эффекты комплекса FMO более подробно).

Учитывая, что этот механизм позволяет квантовым эффектам происходить при комнатной температуре без отрицательных эффектов декогеренции, есть ли их применение для квантовых вычислений? Есть несколько примеров искусственных систем, которые используют ENAQT и связанные квантовые эффекты. Тем не менее, они представляют биомиметические солнечные элементы в качестве потенциального приложения и не сосредоточены на приложениях в квантовых вычислениях.

Первоначально предполагалось, что комплекс FMO выполняет алгоритм поиска Гровера, однако, насколько я понимаю, с тех пор было показано, что это не так.

Было проведено несколько исследований, в которых используются хромофоры и субстраты, которых нет в биологии (добавим ссылки позже). Тем не менее, я хотел бы сосредоточиться на системах, которые используют биологический субстрат.

Даже для биологических субстратов есть пара примеров инженерных систем, которые используют ENAQT. Например, вирусная система была разработана с использованием генной инженерии. ДНК на основе экситонного контура также была разработана . Однако большинство из этих примеров представляют фотогальванику как основной пример, а не квантовые вычисления.

Ваттай и Кауфман (AFAIK) были первыми, кто изучил квантовые эффекты как квантово-биологические вычисления, и предложили метод проектирования системы, аналогичной комплексу FMO для квантовых вычислений.

Как мы можем использовать этот механизм для создания новых типов компьютеров? В случае легкой уборки задача системы состоит в том, чтобы доставить экситон как можно быстрее до реакционного центра, положение которого известно. В вычислительной задаче мы обычно хотели бы найти минимум некоторой комплексной функции . Для простоты пусть эта функция имеет только дискретные значения от 0 до K. Если мы можем отобразить значения этой функции на энергии электростатического узла хромофоров H n n = ϵ 0 f n, и мы разместим реакционные центры рядом с ними захватывая экситоны с некоторой скоростью $f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$и может получить доступ к току в каждом реакционном центре, он будет пропорционален вероятности нахождения экситона на хромофоре .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Как можно использовать квантовые эффекты комплекса FMO на биологическом субстрате для квантовых вычислений? Учитывая, что квантовые эффекты возникают из-за переноса экситонов на сетевые структуры, может ли ENAQT обеспечить более эффективную реализацию сетевых алгоритмов (например, кратчайший путь, коммивояжер и т. Д.)?

PS Я добавлю больше соответствующих ссылок, если это необходимо. Кроме того, не стесняйтесь добавлять соответствующие ссылки.

Я согласен с большей частью того, что вы написали в первом абзаце, хотя я бы сказал, что примерно в то же время (с интервалом всего в 1 месяц!), Как Rebentrost et al. В статье, которую вы упомянули, очень похожая статья была опубликована в arXiv Пленио и Уэльгой под названием «Дефазированный транспорт: Квантовые сети в биомолекулах», и она фактически была опубликована в том же журнале, что и Rebentrost et al. бумага, но несколькими месяцами ранее. Был также Mohseni и др. Квантовые прогулки при содействии окружающей среды в фотосинтетической передаче энергии. опубликованы на arXiv на месяц раньше, чем Rebentrost et al., И опубликованы в журнале за 8 дней до публикации Plenio-Huelga.

Но на самом деле за 13 лет до этого Нэнси Макри и Эунджи Сим написали работы, имитирующие полную квантовую когерентность переноса электрона в бактериохлорофиллах (см. Это и это ). Также за 11 лет до этого нобелевский лауреат Руди Маркус использовал теорию Маркуса для изучения переноса энергии в той же системе и написал это обзор на эту тему с 331 статьей, перечисленной в библиографии.

Таким образом, использование квантовой механики для изучения переноса энергии в бактериохлорофилле восходит к десятилетиям до этого Rebentrost et al. Вы упомянули статью Энгеля 2007 года, в которой они связали передачу энергии с квантовыми вычислениями, что создало новую волну интереса (в том числе в сообществе квантовых компьютеров, которое ранее не интересовалось передачей биологической / химической энергии, примеры это две статьи 2008 года, упомянутые в первом абзаце, в которых участвовали такие авторы квантовых вычислений, как Мартин Пленио и Сет Ллойд).

Мне повезло получить шанс увидеть выступление Боба Силби на заседании Королевского общества под названием «Квантовая когерентная передача энергии: последствия для биологии и новых энергетических технологий» менее чем за 6 месяцев до его смерти, и он проследил квантовую биологию до главы 4 Книга Шредингера « Что такое жизнь? », В которой говорится о мутациях, вызываемых переносом электронов (которую мы сейчас изучаем в биологии средней школы: ультрафиолетовое излучение вызывает возбуждения, которые вызывают образование димеров тимина , что приводит к раку).

В вашем втором абзаце все становится интереснее, когда вы говорите:

Учитывая, что этот механизм позволяет квантовым эффектам происходить при комнатной температуре без отрицательных эффектов декогеренции, есть ли их применение для квантовых вычислений?

В своем ответе на это я указал, что если бы возбуждения были в вакууме без вакуумных мод (в КЭД, даже в вакууме есть моды, которые могут взаимодействовать с возбуждениями), то энергия просто передавалась бы туда и обратно ( колебания Раби ) неопределенно из-за квантовой версии теоремы Пуанкаре о рекуррентности . Вы можете видеть, что когда я включил декогеренцию, эти колебания Раби не только затухали, но и возбуждение «направлялось» к реакционному центру, что позволяло ему подпитывать последующий фотосинтез. Вот почему это называется «управляемой декогеренцией» передачей энергии, и почему вы говорите, что квантовые эффекты происходят «без негативных эффектов декогеренции».

Последствия для квантовых вычислений более тонкие, хотя.

Обратите внимание, что когерентность практически исчезла после 1ps (обратите внимание, что колебания Раби исчезли при 1ps). Это означает, что декогеренция все еще плохая, на самом деле намного хуже, чем в некоторых квантовых компьютерах, таких как кремний, легированный фосфором .

Другими словами, когерентность убивается в FMO в течение примерно 1 с, в то время как в кремнии, легированном фосфором, она длится более чем в триллион раз дольше, чем 1 с. Вы не должны удивляться этой разнице в 12 порядков, поскольку FMO не должен был быть квантовым компьютером (это влажная, шумная среда, полная источников декогеренции), в то время как эксперименты с легированным фосфором кремнием были специально проведены в условиях, которые позволили бы авторам получить максимально возможное время когерентности при комнатной температуре.

Итак, в заключение:

• декогеренция помогает работе фотосинтеза,
• Декогеренция происходит быстро в FMO (примерно 1ps против секунд для некоторых кандидатов на КК)
• квантовые компьютеры на основе схем требуют длительного времени когерентности
• Квантовые компьютеры, работающие на схемах, не будут работать хорошо, если когерентность будет полностью потеряна после 1ps, особенно если квантовые вентили занимают 100 нс каждый (что является реалистичной оценкой для сверхпроводящих КК).
• Поэтому я не выбрал бы возбуждения в хромофорах для кидитов в квантовом компьютере с цепями. Такой квантовый компьютер с меньшей вероятностью будет столь же эффективен, как машины, которые в настоящее время производятся реальными компаниями, которые очень стараются сделать хорошие квантовые компьютеры: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba и т. Д. Все используют сверхпроводящие системы, а не биологические хромофоры).

Суть в том, что очень интересно, что мы можем наблюдать квантовую когерентность при передаче энергии FMO с помощью когерентной 2D-спектроскопии, но эта когерентность длится не так долго, как нам нужно для отказоустойчивых квантовых вычислений, и КК, которые были разработаны в лаборатории специально для того, чтобы хорошо выполнять квантовые вычисления, имеют гораздо более длительное время согласования.В противном случае IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba и т. Д. Использовали бы биологические хромофоры, а не сверхпроводящие кубиты.Эти компании хорошо осведомлены о квантовой согласованности в FMO. Фактически, как указано в моем первом абзаце, Мохсени был первым, кто написал о согласованности действий в FMO (в 2008 году) в этой волне, которая началась после статьи Энгеля 2007 года. Угадай, где работает Мохсени? Google. Вы сказали, что ENAQT был первоначально предложен Патриком Ребентростом. Патрик работает в Xanadu, компании, которая пытается делать фотонные КК, а не хромофорные КК. Научный руководитель Патрика Алан Аспуру-Гузик, который является автором (по крайней мере) 4 из упомянутых статей, в том числе ДНК, которую вы разместили, был также консультантом PhD многих других людей в Google и квантовых командах Ригетти.Эти компании знают о согласованности в FMO, нанимают многих из ведущих авторов этих документов FMO, и если бы было хорошей идеей создать квантовый компьютер, вдохновленный FMO, они бы это знали, но вместо этого все они используют сверхпроводящие кубиты и иногда ионные ловушки или фотоника .