1970 년대 중반 옥스포드 대학교 (Oxford University)의 학부로서 K. Birgitta Whaley는 화학과 물리학 중에서 선택하기 위해 고군분투했습니다. 이제 캘리포니아 대학교, 버클리 및 양자 정보 및 계산 센터의 이사로서, 그녀는 다음과 같이 할 필요가 없습니다. 그녀의 연구 관심사는 화학 및 물리학, 컴퓨터 과학 및 최신 추구 인 양자 생물학을 포함한 모든 영역 양자에 걸쳐 생명 과학을 충족합니다.
.Whaley는 실험가가 녹색 황 박테리아가 화씨 80도까지 온도에서 양자 기계적 효과를 생물학적으로 제어함으로써 빛으로부터 설탕을 합성 할 수 있음을 입증 한 후 2007 년 생물학에 관심을 돌렸다. 이론가로서 Whaley는 이러한 살아있는 유기체가 어떻게 양자 정보를 그렇게 효율적으로 처리 할 수 있는지 배우는 데 관심이 있습니다. 왜냐하면 그녀는 강력한 양자 컴퓨터를 설계하는 방법에 대한 단서를 찾고 있기 때문입니다. 그러나 자연의 실온에서 양자 정보를 처리 할 수있는 녹색 박테리아와 달리, 우리의 최상의 양자 컴퓨터 프로토 타입은 절대 제로에 구축하는 온도에서 실험실에서 양자 효과를 제어하는 것으로 제한됩니다.
.간단한 박테리아를 넘어서 새들은 이제 양자 역학을 사용하여 여행을 매핑하는 것으로 생각되며, 이는 양자 과학에 적용 할 수 있습니다.
생물학은 화학에서 나오고, 이는 양자 확률에 의해 지배되는 미세한 영역에서 원자와 분자가 어떻게 상호 작용하는지에서 나온다. 양자 역학의 기본 도구는 1926 년 Erwin Schrödinger에 의해 출판 된 파동 방정식이며, 이는 단일 전자가 할 수있는 비 동일성 공간 위치의 전체 범위와 같은 특정 양자 물체 또는 시스템의 모든 특성을 나열하는 데 사용됩니다. 동시에 점유합니다. 이 반 직관적이지만 잘 보호 된 원자 입자 또는 생물학적 분자가 동시에 여러 장소, 시간 또는 에너지 상태에 서식 할 수있는 용량은 중첩이라고합니다.
양자 생물학의 또 다른 중요한 개념은 얽힘입니다. 둘 이상의 원자 입자가 얽히고 있다고 말하면 아무리 멀리 떨어져 있더라도 광년에도 불구하고 정보를 즉시 전송할 수 있음을 의미합니다. (그러나 전송 된 정보를 이해하기 위해 관찰자는 빛의 속도 나 아래에서만 전송 될 수있는 디코딩 지침을 받아야합니다.)
그리고 엔트로피가 있습니다 :고립 된 시스템이 정체에 접근하는 경향 (열 사망 또는 최대 장애). 그의 1944 년 저서 인“What is Life?”에서 Schrödinger는 과일 파리와 같은 유기체가 어떻게 양자 기계적 효과를 사용하여 장애로부터 질서를 생산하여 엔트로피와 싸우는 방법에 초점을 맞추 었습니다.
폐쇄 시스템 내부에서 정보 단위 또는 에너지의 수량이 어떻게 배열되는지로 구성된 순서를 생각하십시오. 시스템의 에너지가 사라질 때 장애가 설정됨에 따라 시스템에 정보가 손실됩니다. 그러나 폐쇄 시스템이 환경에 액세스함으로써 정보 또는 에너지 내용을 늘릴 수있는 능력은 순서의 복원과 관련이 있습니다. Schrödinger는 시스템의 "음성 엔트로피"에서 에너지를 재정렬하는 과정을 촉구했습니다. 그는 삶의 투쟁은“환경에서 지속적으로 질서를 빨아들이는 것으로 구성되어있다”고 썼다.
.환경에 대한 정보를 잃지 않고 중첩과 얽힘을 제어하는 방법을 배우는 것은 sine qua non 입니다. 트랜지스터로서 원자와 분자의 배열을 사용하여 계산을 실행할 수있는 실행 가능한 양자 프로세서를 구축합니다. Whaley는 양자 생물학의 급성장 분야에서 지속적인 발견이 새로운 양자 장치에 대한 획기적인 설계를 초래할 것이라는 희망을 가지고 있습니다.
3 월, Whaley는 산타 바바라 캘리포니아 대학교의 Kavli 이론 물리학 연구소의 고등학교 교사들의 수집에 생물학적 시스템의 양자 제어의 기초를 설명했습니다. 더 최근에, 그녀는 Quanta Magazine과 2 시간 동안 인터뷰를했습니다. 이것은 해당 대화의 압축 및 편집 버전입니다.
Quanta Magazine :Quantum Biology는 새로운 새로운 것 또는 오래된 새로운 것입니까?
K. Birgitta Whaley :Schrödinger의 바이오 물리학 책“생명은 무엇입니까?” DNA의 원자 구조가 발견되기 몇 년 전에 나타났습니다. 그는 양자 물리학이 생명을위한“코드”를 포함하는“유전자 분자”의 진화를 지배한다는 경우를 만들었다. 그리고 그는 살아있는 시스템이 엔트로피와 부패의 대상이되기 때문에 양자 환경에서 지속적으로 에너지를 끌어 내야한다고 제안했습니다.
.Schrödinger는 그의 주장을 뒷받침하기 위해 1930 년대 Max Delbrück이 수행 한 실험적 연구를 광범위하게 사용했습니다. Delbrück은 물리학 자 전환 생물학 자로 유기 분자가 생명의 반응이 발생하기 위해 에너지 장벽을 뛰어 넘어야한다는 사실에 의해 결정된다는 사실에 의해 결정된다는 것을 인식했습니다. 이러한 에너지 장벽의 높이는 전자, 원자 및 분자 사이의 양자 상호 작용에 의해 결정됩니다. 생명 형태를 구성합니다.
실험실에서 어떻게 진행 되었습니까?
Delbrück은 과일 플라이 플라이 크로모 좀의 덩어리를 X- 레이로 폭격하여 유전자 돌연변이의 유전자 돌연변이를 유도하고 연구했지만 그의 프로브는 원자 규모의 양자 역학을 실시간으로 탐색 할 수 없었습니다. 1960 년대 레이저의 출현으로 가능해졌습니다. 이제, 우리는 1 초의 2 만 분에서 측정 된 바와 같이 생물학적 물체의 분자 역학을 실시간으로 따르는 분광기로 레이저 광의 십자형 펄스를 측정합니다.
.식물의 화학을 레이저로 조사함으로써, 우리는 살아있는 유기체의 양자 성분과 지역 환경 인 환경“목욕”사이의 상호 작용을 관찰 할 수 있습니다. 그러나 살아있는 유기체의“개방 된”양자 시스템과 그 목욕은 실제로 분리되어 있지 않습니다. 그들은 에너지와 정보의 수량을 앞뒤로 거래함으로써 서로에게 지속적으로 영향을 미칩니다.
Quantum Biology에 당신을 끌어들이는 이유는 무엇입니까?
나는 6 년 전 Graham Fleming의 화려한 실험이 슈퍼 융모 녹색 황 박테리아에서 광합성 동안 양자 일관성의 존재를 보여준 후에 푹 빠졌다. 후속 실험은 주변 온도에서 양자 상호 작용을 추적했다.
양자 일관성이란 무엇입니까?
일관성은 다른 시간과 장소 또는 다른 상태와 함께 양자 상태의 공동 역학입니다. 일관성의 반대는 분리 된 것입니다. 분리 된 양자 시스템이 열려서 원자 환경과 에너지 적으로 상호 작용할 때, 그들은 빠르게 탈코합니다. 그들은 양자 기계적 공동 본질 (일관성)을 잃고 고전적으로 거시적으로 행동하기 시작합니다. 디코 언어는 양자 컴퓨터를 구축하는 데 주된 장애물입니다.
왜?
기계 나 식물, 욕조에서 닫힌 양자 시스템을 고립시키는 것은 어렵다. 그래서 우리는 실험자들이 광합성에서 실시간 일관성 사건을 잡기 시작할 때까지 생각했다. 그들은 박테리아에서 전자 흥분의 일관된 중첩을 보았습니다.
광합성에 대한 양자 기계적 란 무엇입니까?
광합성에서 박테리아와 식물은 햇빛을 전자로 전환 한 다음 화학 에너지로 전환합니다. 모델은 다음과 같습니다. 광자는 먼저 단백질 스캐 폴드에 내장 된 엽록소 분자에 의해 흡수됩니다. 이 광수량의 "안테나"는 일련의 양자 적으로 연결된 엽록소 분자를 통해 전자의 여기 로서이 광자 에너지를 전자에 전달하여 갇힌 에너지가 에너지 저장 설탕의 제조를 촉진하는 반응 부위에 전자를 전달한다.
.플레밍의 실험이있을 때까지, 빛 수확에서 전자 여기는 안테나 구조를 통해 무작위로, 비효율적으로 확산되어 방황하는 전송 과정에서 캡처 된 태양열 입력의 대부분을 잃어버린 것으로 생각되었다.
.이제 확률 진폭 파로 작용하는 단일 전자 여기가 안테나 세포를 반응 센터에 연결하는 다양한 분자 경로를 동시에 샘플링 할 수 있음을 보여줄 수 있습니다. 여기는 가능한 경로의 양자 메뉴에서 잎 표면에서 설탕 전환 부위로 가장 효율적인 경로를 효과적으로 "선택"합니다. 이를 위해서는 여행 입자의 가능한 모든 상태가 수십 개의 펨토초에 대한 단일 코 히어 런트 양자 상태로 정복되어야합니다.
.우리는 녹색 황 박테리아 에서이 놀라운 현상을 보았지만, 인간은 자연이 그러한 복잡한 시스템에서 그러한 복잡한 시스템에서 일관된 전자 양자 상태를 오랜 시간 동안 안정화시킬 수 있다는 점을 아직 알지 못했습니다.
.우리는 자연 에서이 레슨을 사용하여 인공 조명 수확 기계를 구축 할 수 있습니까?
전 세계의 실험실은 자연 광합성을 모델로하는 화학 태양 전지 프로토 타입을 구축하기 위해 노력하고 있습니다. 맞춤형 분자가있는 유기 시스템은 매우 조정 가능하다는 것이 밝혀졌습니다. 속임수는 입력 데이터를 잃지 않는 것입니다. 녹색 황 박테리아에 의해 캡처되는 각 광자가 사용됩니다. 이 생물학적 위업을 모방하면 강력하고 제어 가능한 양자 적으로 강화 된 광자 수확 장치를 만들기위한 무대가 될 수 있습니다.
확장 가능한 양자 컴퓨터를 설계하기 위해 고군분투하는 사람들은 자연이 녹색 황 박테리아와 같은 개방형 양자 시스템을 통해 에너지 흐름 (실제로 정보 전송)을 효율적으로 제어하는 방법에 매료됩니다.
양자 정보 프로세서의 주요 문제는 미세한 운영 체제가 퇴행성 환경 영향에 면역 된 "닫힌"상태로 유지되어야하는 동시에 "큐 비트"또는 원자 크기의 프로세서로 계산하고 있다는 것입니다. 지금까지 엔지니어들은 디코 언론을 통해 욕조에 대한 데이터를 잃지 않을 정도로 긴 일관된 상태로 유지 된 큐 비트로 계산할 수있는 개방형 양자 시스템을 꿈꾸는 것만 꿈을 꿀 수 있습니다.
.놀랍게도, 이러한 광합성 박테리아는 실제로 디코 언어를 사용하여 정보의 무결성을 잃지 않고 생물학적 쿼터 와이어를 둘러싼 단백질 욕조에서 진동 에너지에 접근하여 전자 정보의 전달 속도를 높일 수있는 것으로 보인다.
.이 박테리아-프로토 플랜트, 실제로-양자 컴퓨터입니까?
식물은 실제 양자 컴퓨터가 할 수 있다고 예측하는 것만 큼 내부적으로 정보를 처리 할 수 없습니다. 그러나 우리가 연구 한 박테리아는 기계에서 아직 복제 할 수없는 양자 기계 트릭으로 매우 높은 효율로 정보를 전달합니다.
Quantum Mechanics는 거시적 규모에서 생명의 진화에 영향을 미쳤습니까?
식물과 박테리아는 빛으로부터 에너지를 매우 효율적으로 포착하기 위해 강렬한 선택을받을 수 있습니다. 이것은 왜 오늘날 우리가 가진 광합성 시스템이 일반적으로 너무 효율적이어서,이 광 에너지의 수확을 기본으로하는 양자 과정을 감지 할 수 있습니다.
.새는 양자 역학을 어떻게 사용합니까?
이주하는 새들은 지구의 자기장의 성향이 위도의 함수로 변한다는 사실을 활용하거나 새가 얼마나 북쪽에 있는지를 활용합니다. 적도에서 자기장은 지구에 접선입니다. 북극에서는 수직입니다. 새가 장거리로 날아 가면서 자기장의 경향은 아래 지구의 현지 표면의 평면에 비해 변화합니다.
조류 눈의 양자 기계적 과정은 자기장 경사의 변화 각도에 민감하게 의존하는 뇌에 신호를 보내는 것으로 보인다. 가설은 조류 망막의 광 흡수 분자 쌍은 양자 기계적 상태가 장착 된 전자를 생성한다는 것입니다. 양자 기계 상태는 필드의 각도 경사에 의존하고 성향의 정도에 따라 뇌에 다르게 가치있는 신호를 보내는 화학 반응을 촉진하는 전자를 생성한다는 것입니다.
.새들이 올바른 목적지를 선택하는 데 어떻게 도움이됩니까?
그들은 방향성을 계산할 수있는 양자 기계적 능력으로 유 전적으로 딱딱한 것 같지만, 첫 번째 이주 동안, 그들은 나이가 많고 경험이 많은 새들에 의해 조상 겨울 집으로 안내됩니다. 아마도 인간 학습 언어와 비슷할 것입니다.
조류 뇌는 제어 가능한 양자 시스템입니까?
우리가 망막에 얽힌 분자의 정체성과 위치를 알고 있다면. 우리는 광자 트래핑 분자의 위치를 알고 있지만, 매핑 신호를 시작하는 라디칼 쌍에서 두 번째 전자를 제공하는 분자를 아직 찾지 못했습니다.
.왜 그렇지 않습니까?
새 뇌를 공부하기 위해 연구 돈을 얻는 것은 어렵습니다. 또한 분자 수준에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 명확한 그림을 얻으려면 그들을 죽여야하며, 많은 사람들이 새를 좋아합니다. 반면에 바퀴벌레도하고있을 수 있습니다.
Schrödinger의 두뇌로 돌아 갑시다. 1953 년에 그는 역설을 제안했다. 그의 파동 방정식에 따르면, 거시적 물체는 미세한 원자와 분자로 구성된다. 작은 물체는 물결 모양, 진동, 가역적 또는 "일관된"중첩으로 찾을 수 있기 때문에 왜 큰 물체도 위도하지 않습니까? 생물학적 물체가 Schrödinger가 "Quantum 해파리"라고 부르는 것으로 바뀌지 않도록하는 것은 무엇입니까?
큰 중첩이 해독에 의해 엄청나게 빨리 씻겨지기 때문에 우리는“jellyfishification”을 피합니다. 광합성에서, 화학 반응은 에너지 전달의 양자 과정에 비가역성을 빠르게 도입한다. 전반적인 생물학적 역학을 주도하는 열역학적 또는 엔트로픽 력이 항상 있습니다. 박테리아와 식물과 인간은 생물학적 역학에 구조, 조직이 있기 때문에 해파리로 변하지 않습니다.
우리는 모든 세부 사항을 이해하지 못하지만 생물학적 영역에서 자연은 양자 물리학의 정보 처리와 관련된 전형적인 역설을 보여주지 않습니다. 그리고 우리는 공개 생물학적 양자 시스템을 엔지니어링 모델로 탐색하면 양자 컴퓨터의 미래에 잘 어울립니다.
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