Quasi 75 anni fa, Il fisico premio Nobel Erwin Schrödinger si chiedeva se il misterioso mondo della meccanica quantistica avesse un ruolo nella biologia. Una recente scoperta di Prem Kumar della Northwestern University aggiunge ulteriori prove che la risposta potrebbe essere sì.

Kumar e il suo team hanno, per la prima volta, ha creato un entanglement quantistico da un sistema biologico. Questa scoperta potrebbe far avanzare la comprensione fondamentale degli scienziati della biologia e potenzialmente aprire le porte per sfruttare strumenti biologici per abilitare nuove funzioni sfruttando la meccanica quantistica.

"Possiamo applicare strumenti quantistici per conoscere la biologia?" ha detto Kumar, professore di ingegneria elettrica e informatica alla McCormick School of Engineering della Northwestern e di fisica e astronomia al Weinberg College of Arts and Sciences. "La gente ha fatto questa domanda per molti, molti anni, a partire dagli albori della meccanica quantistica. Il motivo per cui siamo interessati a questi nuovi stati quantistici è perché consentono applicazioni altrimenti impossibili".

Parzialmente sostenuto dalla Defense Advanced Research Projects Agency, la ricerca è stata pubblicata il 5 dicembre in Comunicazioni sulla natura .

L'entanglement quantistico è uno dei fenomeni più misteriosi della meccanica quantistica. Quando due particelle, come gli atomi, fotoni, o elettroni:sono entangled, sperimentano un legame inesplicabile che viene mantenuto anche se le particelle si trovano ai lati opposti dell'universo. Mentre impigliato, il comportamento delle particelle è legato l'un l'altro. Se si trova una particella che ruota in una direzione, Per esempio, poi l'altra particella cambia istantaneamente il suo spin in una maniera corrispondente dettata dall'entanglement. Ricercatori, compreso Kumar, sono stati interessati a sfruttare l'entanglement quantistico per diverse applicazioni, comprese le comunicazioni quantistiche. Poiché le particelle possono comunicare senza fili o cavi, potrebbero essere usati per inviare messaggi sicuri o aiutare a costruire una "Internet quantistica" estremamente veloce.

"I ricercatori hanno cercato di impigliare un insieme sempre più grande di atomi o fotoni per sviluppare substrati su cui progettare e costruire una macchina quantistica, " Kumar ha detto. "Il mio laboratorio chiede se possiamo costruire queste macchine su un substrato biologico."

Nello studio, Il team di Kumar ha utilizzato proteine ​​fluorescenti verdi, responsabili della bioluminescenza e comunemente utilizzati nella ricerca biomedica. Il team ha tentato di intrappolare i fotoni generati dalle molecole fluorescenti all'interno della struttura proteica a forma di botte delle alghe esponendoli a una miscelazione spontanea a quattro onde, un processo in cui più lunghezze d'onda interagiscono tra loro per produrre nuove lunghezze d'onda.

Attraverso una serie di questi esperimenti, Kumar e il suo team hanno dimostrato con successo un tipo di entanglement, chiamato entanglement di polarizzazione, tra coppie di fotoni. La stessa funzione utilizzata per realizzare gli occhiali per la visualizzazione di film in 3D, la polarizzazione è l'orientamento delle oscillazioni nelle onde luminose. Un'onda può oscillare verticalmente, orizzontalmente, o con diverse angolazioni. Nelle coppie intrecciate di Kumar, le polarizzazioni dei fotoni sono entangled, il che significa che le direzioni di oscillazione delle onde luminose sono collegate. Kumar notò anche che la struttura a forma di botte che circondava le molecole fluorescenti proteggeva l'entanglement dall'essere interrotto.

"Quando ho misurato la polarizzazione verticale di una particella, sapevamo che sarebbe stato lo stesso nell'altro, " ha detto. "Se misurassimo la polarizzazione orizzontale di una particella, potremmo prevedere la polarizzazione orizzontale nell'altra particella. Abbiamo creato uno stato entangled correlato in tutte le possibilità contemporaneamente".

Ora che hanno dimostrato che è possibile creare un entanglement quantistico da particelle biologiche, successivo Kumar e il suo team progettano di creare un substrato biologico di particelle entangled, che potrebbe essere usato per costruire una macchina quantistica. Quindi, cercheranno di capire se un substrato biologico funziona in modo più efficiente di uno sintetico.