Hat die Quantenkohärenz im FMO-Komplex eine Bedeutung für das Quantencomputing (auf einem biologischen Substrat)?

Die Quanteneffekte des FMO-Komplexes (photosynthetischer Lichtsammelkomplex in grünen Schwefelbakterien) sowie die Quanteneffekte in anderen Photosynthesesystemen wurden gut untersucht. Eine der häufigsten Hypothesen zur Erklärung dieses Phänomens (mit Schwerpunkt auf dem FMO-Komplex) ist der ursprünglich von Rebentrost et al. . Dieser Mechanismus beschreibt, wie bestimmte Quantennetzwerke Dekohärenz- und Umgebungseffekte "nutzen" können, um die Effizienz des Quantentransports zu verbessern. Es ist zu beachten, dass die Quanteneffekte durch den Transport von Exzitonen von einem Pigment (Chlorophyll) im Komplex zu einem anderen entstehen. (Es gibt eine Frage , die die Quanteneffekte des FMO-Komplexes etwas ausführlicher behandelt.)

Gibt es irgendwelche Anwendungen für das Quantencomputing , da dieser Mechanismus Quanteneffekte bei Raumtemperaturen ohne die negativen Auswirkungen der Dekohärenz ermöglicht ? Es gibt einige Beispiele für künstliche Systeme, die ENAQT und verwandte Quanteneffekte nutzen. Sie stellen jedoch biomimetische Solarzellen als potenzielle Anwendung dar und konzentrieren sich nicht auf die Anwendungen im Quantencomputer.

Ursprünglich wurde die Hypothese aufgestellt, dass der FMO-Komplex einen Suchalgorithmus nach Grover ausführt. Soweit ich weiß, wurde jedoch inzwischen gezeigt, dass dies nicht zutrifft.

Es gab einige Studien, die Chromophore und Substrate verwendeten, die in der Biologie nicht zu finden waren (Referenzen werden später hinzugefügt). Ich möchte mich jedoch auf Systeme konzentrieren, die ein biologisches Substrat verwenden.

Selbst für biologische Substrate gibt es einige Beispiele für konstruierte Systeme, die ENAQT verwenden. Beispielsweise wurde ein virusbasiertes System gentechnisch entwickelt. Ein DNA-basierter Excitonic-Schaltkreis wurde ebenfalls entwickelt. Die meisten dieser Beispiele zeigen jedoch die Photovoltaik als Hauptbeispiel und nicht das Quantencomputing.

Vattay und Kauffman (AFAIK) untersuchten als erste die Quanteneffekte als quantenbiologisches Computing und schlugen eine Methode zur Entwicklung eines Systems vor, das dem FMO-Komplex für das Quantencomputing ähnelt.

Wie könnten wir diesen Mechanismus nutzen, um neue Computertypen zu bauen? Im Fall der leichten Ernte besteht die Aufgabe des Systems darin, das Exciton auf dem schnellstmöglichen Weg zu dem Reaktionszentrum zu transportieren, dessen Position bekannt ist. In einer Rechenaufgabe möchten wir normalerweise das Minimum einer komplexen Funktion . Der Einfachheit halber soll diese Funktion nur diskrete Werte von 0 bis K haben. Wenn wir in der Lage sind, die Werte dieser Funktion auf die elektrostatischen Stellenergien der Chromophore wir Reaktionszentren in deren Nähe ein Fängt man die Exzitonen mit einer gewissen Rate und kann auf den Strom in jedem Reaktionszentrum zugreifen, ist dies proportional zur Wahrscheinlichkeit, das Exziton auf dem Chromophor zu finden$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$$j_n ∼ κ\rho_{nn}$ .

Wie können die Quanteneffekte des FMO-Komplexes auf einem biologischen Substrat für das Quantencomputing genutzt werden? Könnte ENAQT angesichts der Tatsache, dass die Quanteneffekte durch den Transport von Exzitonen auf Netzwerkstrukturen verursacht werden, effizientere Implementierungen von netzwerkbasierten Algorithmen (z. B. kürzester Weg, Verkäufer auf Reisen usw.) ermöglichen?

PS Ich werde bei Bedarf weitere relevante Referenzen hinzufügen. Sie können auch relevante Referenzen hinzufügen.

Ich stimme mit den meisten Ihrer Ausführungen im ersten Absatz überein, obwohl ich dies ungefähr zur selben Zeit (nur 1 Monat auseinander!) Sagen würde wie der Artikel von Rebentrost et al. Aufsatz, den Sie erwähnt haben, wurde von Plenio und Huelga ein sehr ähnlicher Aufsatz mit dem Titel "Dephasing assisted transport: Quantennetzwerke in Biomolekülen" bei arXiv veröffentlicht. Er wurde tatsächlich in derselben Zeitschrift veröffentlicht wie der Aufsatz von Rebentrost et al. Papier, aber ein paar Monate zuvor. Einen Monat vor Rebentrost et al. Gab es auf arXiv auch Mohseni et al .s umweltunterstützte Quantenwanderungen zur photosynthetischen Energieübertragung , die 8 Tage vor der Veröffentlichung von Plenio-Huelga in einer Zeitschrift veröffentlicht wurden.

Doch 13 Jahre zuvor schrieben Nancy Makri und Eunji Sim Artikel, in denen die vollständige Quantenkohärenz für den Elektronentransfer in Bakteriochlorophyllen simuliert wurde (siehe dies und das ). Ebenfalls vor elf Jahren benutzte Nobelpreisträger Rudy Marcus die Marcus-Theorie , um den Energietransfer im selben System zu untersuchen, und schrieb diese Rezension mit 331 Artikeln, die in der Bibliographie aufgeführt sind.

Die Anwendung der Quantenmechanik zur Untersuchung des Energietransfers in Bakteriochlorophyll geht also auf Jahrzehnte zurück, bevor Rebentrost et al. Dies war das von Ihnen erwähnte Engel-Papier von 2007, in dem der Energietransfer mit dem Quantencomputer in Verbindung gebracht wurde, was eine neue Welle von Interesse hervorrief (auch in der Quantencomputer-Community, die sich zuvor nicht für den biologisch-chemischen Energietransfer interessierte, Beispiele) Dies sind die beiden im ersten Absatz erwähnten Veröffentlichungen aus dem Jahr 2008, in denen Autoren des Quantencomputers wie Martin Plenio und Seth Lloyd vorgestellt wurden.

Ich hatte das Glück, Bob Silbeys Vortrag auf dem Treffen der Royal Society mit dem Titel "Quantenkohärenter Energietransfer: Auswirkungen auf die Biologie und neue Energietechnologien" weniger als 6 Monate vor seinem Tod zu sehen, und er führte die Quantenbiologie auf Kapitel 4 von zurück Schrödingers Buch " What is Life? ", In dem es um Mutationen geht, die durch Elektronentransfer verursacht werden (das lernen wir jetzt in der Biologie der High School: UV-Strahlung verursacht Anregungen, die zur Bildung von Thymindimeren führen und zu Krebs führen).

Interessant wird es in Ihrem zweiten Absatz, wenn Sie sagen:

Gibt es irgendwelche Anwendungen für das Quantencomputing, da dieser Mechanismus Quanteneffekte bei Raumtemperaturen ohne die negativen Auswirkungen der Dekohärenz ermöglicht?

In meiner Antwort auf diese wies mich darauf hin , dass , wenn die Erregungen in einem Vakuum ohne Vakuum Modi sind (in QED, auch ein Vakuum hat Modi , die mit den Erregungen in Wechselwirkung treten können), dann würde die Energie nur hin und her übertragen ( Rabi - Oszillationen ) auf unbestimmte Zeit aufgrund der Quantenversion des Poincaré-Rezidivsatzes . Sie sehen, als ich die Dekohärenz einschaltete, wurden diese Rabi-Oszillationen nicht nur gedämpft, sondern auch die Erregung wurde in Richtung des Reaktionszentrums "geleitet", wodurch die nachfolgende Photosynethesis angeheizt werden konnte. Dies ist der Grund, warum es als "dekohärenzgetriebene" Energieübertragung bezeichnet wird und warum Sie sagen, dass Quanteneffekte "ohne die negativen Auswirkungen der Dekohärenz" stattfinden.

Die Implikationen für das Quantencomputing sind jedoch subtiler.

Beachten Sie, dass die Kohärenz nach 1ps praktisch verschwunden ist (beachten Sie, dass die Rabi-Oszillationen mit 1ps verschwunden sind). Dies bedeutet, dass die Dekohärenz immer noch schlecht ist, in der Tat viel schlechter als bei einigen Quantencomputerkandidaten wie phosphordotiertem Silizium .

Anders ausgedrückt, die Kohärenz wird im FMO innerhalb von etwa 1 ps zerstört, wohingegen in phosphordotiertem Silizium eine Lebensdauer von mehr als einer Billion mal mehr als 1 ps erreicht wurde. Sie sollten sich nicht über diesen Unterschied von 12 Größenordnungen wundern, da das FMO kein Quantencomputer sein sollte (es ist eine nasse, verrauschte Umgebung voller Dekohärenzquellen), während die phosphordotierten Siliziumexperimente absichtlich durchgeführt wurden unter Bedingungen, die es den Autoren ermöglichen würden, eine möglichst lange Kohärenzzeit bei Raumtemperatur zu erzielen.

Also zusammenfassend:

• Dekohärenz hilft bei der Photosynthese,
• Dekohärenz tritt im FMO schnell auf (ungefähr 1 ps gegenüber Sekunden für einige QC-Kandidaten)
• schaltungsbasierte Quantencomputer erfordern lange Kohärenzzeiten
• schaltungsbasierte Quantencomputer funktionieren nicht gut, wenn die Kohärenz nach 1 ps vollständig verloren geht, insbesondere wenn die Quantentore jeweils 100 ns benötigen (was eine realistische Schätzung für supraleitende QCs darstellt).
• Daher würde ich keine Anregungen in Chromophoren für die Qudits in einem schaltungsbasierten Quantencomputer wählen. Ein solcher Quantencomputer ist wahrscheinlich weniger leistungsfähig als die Maschinen, die derzeit von echten Unternehmen hergestellt werden, die sich sehr bemühen, gute Quantencomputer herzustellen: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba usw., die alle verwendet werden supraleitende Systeme, keine biologischen Chromophore).

Unter dem Strich ist es sehr interessant, dass wir die Quantenkohärenz im Energietransfer des FMO mittels kohärenter 2D-Spektroskopie beobachten können, aber diese Kohärenz hält nicht annähernd so lange an, wie wir es für fehlertolerantes Quantencomputing benötigen. und QCs, die im Labor speziell für Quantencomputer entwickelt wurden, haben viel längere Kohärenzzeiten. Andernfalls würden IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba usw. biologische Chromophore und keine supraleitenden Qubits verwenden.Diese Unternehmen sind sich der Quantenkohärenz im FMO bewusst. Wie bereits in meinem ersten Absatz erwähnt, hat Mohseni in dieser Welle, die nach Engels Veröffentlichung von 2007 begann, erstmals über die Kohärenz in der FMO (2008) geschrieben. Ratet mal, wo Mohseni arbeitet? Google. Sie sagten, ENAQT wurde ursprünglich von Patrick Rebentrost vorgeschlagen. Patrick arbeitet bei Xanadu, einem Unternehmen, das versucht, photonische QCs und keine chromophoren QCs herzustellen. Patricks PhD-Supervisor Alan Aspuru-Guzik, der (mindestens) 4 der genannten Artikel verfasst hat, einschließlich der von Ihnen veröffentlichten DNA, war auch der PhD-Berater mehrerer anderer Personen in den Quantenteams von Google und Rigetti.Diese Unternehmen wissen um die Kohärenz in der FMO, beschäftigen viele der Hauptautoren in diesen FMO-Papieren und wenn es eine gute Idee wäre, einen FMO-inspirierten Quantencomputer zu bauen, würden sie es wissen, aber stattdessen verwenden sie alle supraleitende Qubits und manchmal Ionenfallen oder Photonik .