Efficienza nei processi biomolecolari della natura, come la fotosintesi, non è del tutto spiegato dalla teoria convenzionale. Il progetto PAPETS, finanziato dall'UE, ha esplorato gli effetti quantistici per comprendere meglio questi processi, recentemente portando a ulteriori approfondimenti sulle possibilità del calcolo quantistico.

Fino a tempi relativamente recenti si pensava che lo strano comportamento delle entità riportato dalla fisica quantistica, si manifestava principalmente a livello submicroscopico. Però, negli ultimi anni, sono state poste domande sul ruolo del comportamento quantistico nella maggior parte dei quotidiani, processi biologici macroscopici. Il precedente lavoro del progetto PAPETS finanziato dall'UE su tale fenomeno biologico, principalmente nella fotosintesi e nell'olfatto, ha alimentato queste recenti scoperte.

Due effetti quantistici potrebbero spiegare i processi biologici che hanno un po' sconcertato i ricercatori, vale a dire:la capacità di esistere in più luoghi contemporaneamente (sovrapposizione), oltre a poter scomparire istantaneamente, e poi riapparire in un luogo completamente diverso.

Il labirinto quantistico

I ricercatori attingendo al lavoro svolto nell'ambito del progetto PAPETS, spiega nel diario Lettere di revisione fisica come sono riusciti di recente a sfruttare la temporalità per compiti di calcolo quantistico eseguiti su reti casuali dinamiche. Per testare i limiti della computazione quantistica, il team ha studiato un algoritmo di ricerca spaziale utilizzando informazioni quantistiche, per trovare un nodo contrassegnato su una rete temporale casuale.

Gli autori sottolineano che era già stato dimostrato che il calcolo quantistico offrirebbe un vantaggio in termini di velocità nelle attività di ricerca all'interno delle reti al di sopra di una certa soglia di connettività nodale. Però, hanno anche riscontrato che al di sotto di questa soglia di connessioni, il vantaggio quantico non è più detenuto.

Nello studio i ricercatori hanno continuamente randomizzato l'effettiva disposizione della rete, con il cambiamento anche del numero di connessioni, mantenendo costante il numero di nodi. Hanno scoperto che qualunque sia il grado di connettività, l'algoritmo di ricerca quantistica sempre trovato, a cosa si riferiscono come, "una frequenza" per generare nuovi accordi di rete, per trovare il nodo contrassegnato. interessante, il team ha scoperto che anche quando imponevano un bias che risultava in una connettività molto bassa dei nodi, con molti nodi isolati dal resto della rete, l'algoritmo ha creato nuove disposizioni di rete a un ritmo più veloce per compensare.

I risultati dei ricercatori erano contrari all'aspettativa che quando si cercava di trovare un nodo contrassegnato in una rete, che sia sociale, naturale o tecnologico, l'algoritmo di ricerca quantistica avrebbe difficoltà con la natura in continua evoluzione della rete (perdendo e guadagnando collegamenti nel tempo). Infatti, dimostrano che questa caratteristica temporale può essere utilizzata come controllo per le prestazioni del calcolo. Mentre il team prevede che il proprio lavoro andrà a beneficio delle tecnologie dell'informazione quantistica, per la comunicazione e il calcolo, contribuisce anche alla comprensione dei processi biologici.

Quando gli effetti quantistici incontrano la biologia

Il progetto PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) è terminato. È stato creato per esplorare come le dinamiche elettroniche e vibrazionali, meccanismi specificamente assistiti da fononi, svolge un ruolo chiave nella struttura e nella funzione dei sistemi biomolecolari. Il progetto ha esaminato il ruolo che gli effetti quantistici potrebbero svolgere nel rendere la fotosintesi delle piante tanto efficiente quanto lo è, permettendo all'energia che trasporta gli eccitoni di esplorare contemporaneamente diversi percorsi nella foglia, trovare il percorso più efficiente per le molecole di combustibile bersaglio. I risultati stanno contribuendo agli sforzi per progettare celle solari migliori.

Inoltre, lo studio ha esaminato il modo in cui gli effetti quantistici potrebbero aiutare la capacità olfattiva di riconoscere gli odori dalle molecole, attraverso un processo noto come "tunnel quantistico", che aiuta una molecola olfattiva a unirsi con un recettore. Questa comprensione offre la prospettiva di sviluppare tecnologie per il rilevamento degli odori che potrebbero, Per esempio, rilevare i pericoli negli alimenti o nell'acqua.