Apakah koherensi kuantum dalam kompleks FMO memiliki arti penting bagi komputasi kuantum (pada substrat biologis)?

Efek kuantum kompleks FMO (kompleks pemanenan cahaya fotosintesis yang ditemukan pada bakteri sulfur hijau) telah dipelajari dengan baik serta efek kuantum dalam sistem fotosintesis lainnya. Salah satu hipotesis paling umum untuk menjelaskan fenomena ini (berfokus pada kompleks FMO) adalah Transport Quantum-Assisted Assisted (ENAQT) yang awalnya dijelaskan oleh Rebentrost et al. . Mekanisme ini menjelaskan bagaimana jaringan kuantum tertentu dapat "menggunakan" efek dekoherensi dan lingkungan untuk meningkatkan efisiensi transportasi kuantum. Perhatikan bahwa efek kuantum muncul dari pengangkutan rangsangan dari satu pigmen (klorofil) dalam kompleks ke yang lain. (Ada pertanyaan yang membahas efek kuantum kompleks FMO secara lebih rinci).

Mengingat bahwa mekanisme ini memungkinkan efek kuantum terjadi pada suhu kamar tanpa efek negatif dekoherensi, apakah ada aplikasi untuk komputasi kuantum? Ada beberapa contoh sistem buatan yang memanfaatkan ENAQT dan efek kuantum terkait. Namun, mereka menyajikan sel surya biomimetik sebagai aplikasi potensial dan tidak fokus pada aplikasi dalam komputasi kuantum.

Awalnya, dihipotesiskan bahwa kompleks FMO melakukan algoritma pencarian Grover, namun, dari apa yang saya pahami, sekarang telah ditunjukkan bahwa ini tidak benar.

Ada beberapa penelitian yang menggunakan kromofor dan substrat yang tidak ditemukan dalam biologi (akan menambah referensi nanti). Namun, saya ingin fokus pada sistem yang menggunakan substrat biologis.

Bahkan untuk substrat biologis ada beberapa contoh sistem rekayasa yang menggunakan ENAQT. Misalnya, sistem berbasis virus dikembangkan menggunakan rekayasa genetika. Sebuah sirkuit excitonic berbasis DNA juga dikembangkan. Namun, sebagian besar contoh ini menyajikan fotovoltaik sebagai contoh utama dan bukan komputasi kuantum.

Vattay dan Kauffman adalah (AFAIK) yang pertama mempelajari efek kuantum sebagai komputasi biologis kuantum, dan mengusulkan metode rekayasa sistem yang mirip dengan kompleks FMO untuk komputasi kuantum.

Bagaimana kita bisa menggunakan mekanisme ini untuk membangun komputer jenis baru? Dalam kasus pemanenan ringan, tugas sistem adalah untuk mengangkut exciton, cara tercepat yang mungkin ke pusat reaksi yang posisinya diketahui. Dalam tugas komputasi kita biasanya ingin mencari minimum dari beberapa fungsi kompleks . Untuk kesederhanaan, biarkan fungsi ini hanya memiliki nilai diskrit dari 0 hingga K. Jika kita dapat memetakan nilai fungsi ini ke energi situs elektrostatik dari kromofor H n n = ϵ 0 f n dan kami mengerahkan pusat reaksi dekat dengan mereka menjebak rangsangan dengan beberapa tingkat $f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$dan dapat mengakses arus pada masing-masing pusat reaksi akan proporsional dengan probabilitas untuk menemukan exciton pada chromophore .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Bagaimana efek kuantum kompleks FMO digunakan pada substrat biologis untuk komputasi kuantum? Mengingat bahwa efek kuantum terjadi karena pengangkutan rangsangan pada struktur jaringan, dapatkah ENAQT memberikan implementasi yang lebih efisien dari algoritma berbasis jaringan (mis: jalur terpendek, salesman keliling, dll.)?

PS Saya akan menambahkan referensi yang lebih relevan jika diperlukan. Juga, jangan ragu untuk menambahkan referensi yang relevan juga.

Saya setuju dengan sebagian besar dari apa yang telah Anda tulis pada paragraf pertama, meskipun saya akan mengatakan itu pada waktu yang hampir bersamaan (hanya terpisah 1 bulan!) Dengan Rebentrost et al. makalah yang Anda sebutkan, makalah yang sangat mirip telah diposting ke arXiv oleh Plenio dan Huelga disebut "Dephasing dibantu transportasi: jaringan kuantum dalam biomolekul" dan itu sebenarnya diterbitkan dalam jurnal yang sama dengan Rebentrost et al. kertas, tetapi beberapa bulan sebelumnya. Ada juga Quantum Walk yang Dibantu Lingkungan oleh Mohseni dkk dalam Transfer Energi Fotosintetik yang diposting di arXiv satu bulan lebih awal dari Rebentrost dkk., Dan diterbitkan dalam jurnal 8 hari sebelum makalah Plenio-Huelga.

Tetapi sebenarnya 13 tahun sebelum semua itu, Nancy Makri dan Eunji Sim menulis makalah yang mensimulasikan koherensi kuantum penuh untuk transfer elektron dalam bakterioklorofil (lihat ini dan ini ). Juga 11 tahun sebelumnya, Penerima Nobel Rudy Marcus menggunakan teori Marcus untuk mempelajari transfer energi dalam sistem yang sama, dan menulis ulasan ini tentang subjek dengan 331 makalah yang tercantum dalam daftar pustaka.

Jadi penggunaan mekanika kuantum untuk mempelajari transfer energi dalam bakterioklorofil kembali ke beberapa dekade sebelum itu Rebentrost et al. kertas, dan itu adalah kertas Engel 2007 yang Anda sebutkan, di mana mereka menghubungkan transfer energi ke komputasi kuantum, yang menciptakan gelombang minat baru (termasuk dalam komunitas komputasi kuantum yang sebelumnya tidak tertarik pada transfer energi biologis / kimia, contohnya menjadi dua makalah 2008 yang disebutkan dalam paragraf pertama, yang menampilkan penulis dari komputasi kuantum seperti Martin Plenio dan Seth Lloyd).

Saya beruntung mendapatkan kesempatan untuk melihat ceramah Bob Silbey pada pertemuan Royal Society yang disebut "Transfer energi koheren kuantum: Implikasi untuk biologi dan teknologi energi baru" kurang dari 6 bulan sebelum dia meninggal, dan dia menelusuri biologi kuantum kembali ke Bab 4 dari Buku Schrödinger " What is Life? " Yang berbicara tentang mutasi yang disebabkan oleh transfer elektron (yang sekarang kita pelajari dalam biologi sekolah menengah: radiasi UV menyebabkan kegembiraan yang menyebabkan dimer timin terbentuk , menyebabkan kanker).

Hal-hal menjadi menarik di paragraf kedua Anda ketika Anda mengatakan:

Mengingat bahwa mekanisme ini memungkinkan efek kuantum terjadi pada suhu kamar tanpa efek negatif dekoherensi, apakah ada aplikasi untuk komputasi kuantum?

Dalam jawaban saya untuk ini saya menunjukkan bahwa jika kegembiraan berada dalam ruang hampa tanpa mode vakum (di QED, bahkan ruang hampa memiliki mode yang dapat berinteraksi dengan kegembiraan), maka energi hanya akan berpindah bolak-balik ( osilasi Rabi ) tak terbatas karena versi kuantum dari teorema pengulangan Poincaré . Anda dapat melihat bahwa ketika saya menyalakan dekoherensi, osilasi Rabi ini tidak hanya teredam, tetapi juga eksitasi "disalurkan" ke pusat reaksi, sehingga memungkinkannya untuk memicu fotosintesis berikutnya. Inilah sebabnya mengapa ini disebut transfer energi "yang didorong oleh decoherence", dan mengapa Anda mengatakan bahwa efek kuantum terjadi "tanpa efek negatif dari decoherence".

Implikasi untuk komputasi kuantum lebih halus.

Perhatikan bahwa koherensi praktis hilang setelah 1ps (perhatikan osilasi Rabi hilang pada 1ps). Ini berarti dekoherensi masih buruk, bahkan jauh lebih buruk daripada di beberapa kandidat komputer kuantum seperti silikon yang mengandung fosfor .

Dengan kata lain, koherensi terbunuh dalam FMO dalam waktu sekitar 1ps, sedangkan dalam silikon fosfor-doped itu dibuat untuk bertahan lebih dari satu triliun kali lebih lama dari 1ps. Anda seharusnya tidak terkejut dengan perbedaan 12 orde besarnya ini, karena FMO tidak dimaksudkan untuk menjadi komputer kuantum (ini adalah lingkungan yang basah, berisik, penuh dengan sumber dekoherensi), sedangkan eksperimen silikon dengan fosfor-doping sengaja dilakukan dalam kondisi yang memungkinkan penulis mendapatkan waktu koherensi suhu kamar terpanjang.

Jadi dalam ringkasan:

• dekoherensi membantu kerja fotosintesis,
• dekoherensi terjadi dengan cepat di FMO (sekitar 1ps, vs detik untuk beberapa kandidat QC)
• komputer kuantum berbasis sirkuit membutuhkan waktu koherensi yang panjang
• komputer kuantum berbasis sirkuit tidak akan berkinerja baik jika koherensi benar-benar hilang setelah 1ps, terutama jika gerbang kuantum masing-masing mengambil 100ns (yang merupakan perkiraan realistis untuk QC superkonduktor).
• Oleh karena itu saya tidak akan memilih kesenangan dalam chromophores untuk qudits di komputer kuantum berbasis sirkuit. Komputer kuantum seperti itu kurang mampu seperti mesin-mesin yang saat ini dibuat oleh perusahaan nyata yang berusaha sangat keras untuk membuat komputer kuantum yang baik: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, dll. Semua digunakan sistem superkonduktor, bukan kromofor biologis).

Intinya adalah bahwa sangat menarik bahwa kita dapat mengamati koherensi kuantum dalam transfer energi FMO melalui spektroskopi 2D koheren, tetapi koherensi ini tidak bertahan hampir selama kita membutuhkannya untuk komputasi kuantum toleran-kesalahan, dan QC yang telah direkayasa di lab khusus untuk berkinerja baik di komputasi kuantum, memiliki waktu koherensi yang jauh lebih lama. Kalau tidak, IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, dll. Akan menggunakan kromofor biologis, bukan qubit superkonduktor.Perusahaan-perusahaan tersebut sangat menyadari koherensi kuantum dalam FMO. Bahkan seperti yang dinyatakan dalam paragraf pertama saya, Mohseni adalah orang pertama yang menulis tentang koherensi dalam FMO (tahun 2008) dalam gelombang ini yang dimulai setelah makalah Engel tahun 2007. Tebak di mana Mohseni bekerja? Google. Anda mengatakan ENAQT awalnya diusulkan oleh Patrick Rebentrost. Patrick bekerja di Xanadu, sebuah perusahaan yang mencoba membuat QC fotonik, bukan QC chromophoric. Atasan PhD Patrick, Alan Aspuru-Guzik yang menulis (setidaknya) 4 makalah yang disebutkan, termasuk DNA yang Anda posting, juga penasihat PhD dari banyak orang lain di Google dan tim kuantum Rigetti.Perusahaan-perusahaan ini tahu tentang koherensi dalam FMO, mempekerjakan banyak penulis utama pada kertas FMO itu, dan jika itu ide yang baik untuk membangun komputer kuantum yang diilhami FMO, mereka akan mengetahuinya, tetapi sebaliknya mereka semua menggunakan qubit superkonduktor dan kadang-kadang perangkap ion atau fotonik .