La raccolta della luce quantistica suggerisce una forma di calcolo completamente nuova

I fisici sanno da tempo che piante e batteri convertono la luce in energia chimica in un modo estremamente efficiente. Ma solo negli ultimi anni hanno scoperto che le macchine molecolari alla base di questo processo si affidano alla meccanica quantistica per svolgere il lavoro.

Questa è una grande sorpresa a causa delle temperature coinvolte. Gli stati quantistici sono estremamente fragili: starnutiscono e scompaiono in uno sbuffo di fumo. I fisici possono mantenere questi stati per qualche tempo in ambienti attentamente controllati a bassa temperatura, ma nessuno può spiegare come ciò possa essere possibile negli ambienti caldi e umidi all'interno degli esseri viventi.

Oggi, Gabor Vattay dell'Università Eotvos di Budapest e Stuart Kauffman dell'Università del Vermont a Burlington hanno la risposta. Dicono che i processi alla base della raccolta della luce siano una miscela speciale di quanto e classico. E che questo delicato mix rappresenta una forma di calcolo completamente nuova che la natura potrebbe sfruttare anche in altri sistemi.

I processi quantistici devono essere studiati nei sistemi di raccolta della luce si verificano in una struttura nota come complesso Fenna-Matthews-Olson o FMO, un'enorme proteina pigmentata che fa parte del meccanismo di raccolta della luce nei batteri dello zolfo verde. Incorporati in queste strutture proteiche ci sono centri di reazione che convertono l'energia dalla luce in energia chimica.

Quando la luce colpisce il complesso FMO, l'energia deve viaggiare attraverso la matrice proteica fino a raggiungere un centro di reazione. E sorprendentemente, questo trasferimento avviene con un'efficienza di quasi il 100%.

Questo è sconcertante perché l'unico modo per l'energia luminosa di trovare un centro di reazione è rimbalzare attraverso la rete proteica a caso, come una palla da biliardo che rimbalza. Questo processo richiederebbe troppo tempo, molto più del nanosecondo o giù di lì impiegato dall'energia luminosa per dissiparsi nell'ambiente e andare persa.

Quindi il processo di trasferimento di energia non può avvenire classicamente in questo modo. Invece, i fisici hanno raccolto una serie di prove che dimostrano che il trasferimento di energia è un processo quantistico.

Il pensiero va così. Poiché l'energia può esistere in una sovrapposizione di stati, può percorrere contemporaneamente una varietà di percorsi intorno alla rete. E quando trova la giusta destinazione, la sovrapposizione crolla, lasciando l'energia al centro di reazione. Il risultato è un trasferimento di energia quasi perfetto.

Ma Vattay e Kauffman affermano che nemmeno questo tipo di puro processo quantistico può essere responsabile. Questo perché un certo numero di processi quantistici rallenta il movimento di oggetti quantistici attraverso reti casuali come questa. Anche la meccanica quantistica ha effetti negativi, dicono.

Uno di questi guastafeste è noto come localizzazione di Anderson, un fenomeno che impedisce la diffusione di stati quantistici in media casuali. Poiché lo stato quantistico si comporta come un'onda, è vulnerabile agli effetti di interferenza, che ne impediscono la propagazione in una rete casuale.

Un altro è l'effetto zeno quantistico, il fenomeno paradossale in cui uno stato instabile non cambia mai se viene osservato continuamente. Questo perché guardare comporta una serie di misurazioni che spingono costantemente lo stato, impedendogli di crollare. Questa è la versione quantistica dell'effetto 'potrebbe non bollire mai'.

Una cosa simile accade allo stato quantico dell'energia durante la raccolta della luce. Questo stato quantistico interagirà inevitabilmente con l'ambiente, ma queste interazioni si comportano come misurazioni. Questo innesca un effetto simile allo zeno quantistico che impedisce allo stato di collassare nel centro di reazione. Quindi il trasferimento di energia non può avvenire in questo modo, dicono Vattay e Kauffman.

Invece, propongono un nuovo processo in cui il meccanismo di ricerca quantistica e l'interazione con l'ambiente si combinano per superare la localizzazione di Anderson. È l'interazione tra questi processi che fornisce l'energia al centro di reazione in modo ottimale, dicono.

L'idea è che l'interazione con l'ambiente cambi la natura ondulatoria dello stato quantistico quanto basta per impedire la localizzazione di Anderson. Allo stesso tempo, l'effetto zeno quantistico estende il tempo di vita dello stato quantico permettendogli di trovare la sua strada verso il centro di reazione. È questa interazione tra il mondo quantistico e quello classico che consente il trasferimento di energia.

Questo spiega il comportamento quantistico dei processi di raccolta della luce a temperatura ambiente. Ma Vattay e Kauffman dicono che l'idea ha altre importanti implicazioni. Il problema di trovare un centro di reazione in una matrice proteica è formalmente equivalente a molti altri problemi nell'informatica. Quindi dovrebbe essere possibile trasformare la raccolta di luce nel compito di calcolare mappando un problema sull'altro.

Ciò potrebbe migliorare notevolmente le velocità di calcolo a temperatura ambiente. I computer basati su complessi di raccolta della luce artificiale potrebbero avere unità con un'efficienza 100-1000 volte maggiore a temperatura ambiente, affermano Vattay e Kauffman.

Inoltre, questo tipo di calcolo potrebbe già essere all'opera in natura. Poiché la realizzazione di questo meccanismo sembra ora relativamente facile, è importante chiedersi se sia stato realizzato in sistemi di raccolta leggera o sia presente anche in altri processi di trasporto biologico o ottimizzazione. Soprattutto nel cervello umano, dicono.

Se hanno ragione, questo nuovo tipo di calcolo potrebbe generare una raffica di interesse in un breve lasso di tempo.

Rif: arxiv.org/abs/1311.4688 : Progettazione evolutiva nell'informatica quantistica biologica

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