FMO 복합체의 양자 응집성 (quantum coherence)은 (생물학적 기질에서) 양자 컴퓨팅에 어떤 의미가 있습니까?

FMO 복합체 (녹색 황 박테리아에서 발견되는 광합성 광 수확 복합체)의 양자 효과는 다른 광합성 시스템에서의 양자 효과뿐만 아니라 잘 연구되었다. 이러한 현상을 설명하기위한 가장 일반적인 가설 중 하나 (FMO 복합체에 초점을 맞춘)는 원래 Rebentrost et al. . 이 메커니즘은 특정 양자 네트워크가 어떻게 양자 전송의 효율성을 향상시키기 위해 분리 및 환경 효과를 "사용"할 수 있는지 설명합니다. 양자 효과 는 복합체의 한 안료 (엽록소)에서 다른 안료 로 엑시톤 이 이동함에 따라 발생합니다 . ( FMO 복합체의 양자 효과에 대해 좀 더 자세히 논의 하는 질문 이 있습니다 ).

이 메커니즘을 통해 분리 효과의 부정적인 영향없이 양자 효과를 상온에서 발생시킬 수 있다는 점을 감안하면 양자 컴퓨팅을위한 응용 분야입니까? ENAQT 및 관련 양자 효과를 이용하는 인공 시스템의 몇 가지 예가 있습니다. 그러나, 이들은 생체 모방 태양 전지를 잠재적 인 응용으로서 제시하고 양자 컴퓨팅에서의 응용에 초점을 맞추지 않는다.

원래 FMO 콤플렉스가 Grover의 검색 알고리즘을 수행 한다고 가정 했지만, 내가 이해 한 바에 따르면 이것이 사실이 아님을 알았습니다.

생물학에서 발견되지 않은 발색단과 기질을 사용하는 몇 가지 연구가 있습니다 (나중에 참조를 추가 할 것임). 그러나 생물학적 기질을 사용하는 시스템 에 집중하고 싶습니다 .

생물학적 기질의 경우에도 ENAQT를 사용 하는 엔지니어링 시스템 의 몇 가지 예가 있습니다. 예를 들어, 바이러스 기반 시스템 은 유전 공학을 사용하여 개발되었습니다. DNA 기반 엑시톤 회로가 또한 개발되었다. 그러나, 이들 예의 대부분은 양자 컴퓨팅이 아닌 주요 예로서 광전지를 제시한다.

Vattay와 Kauffman 은 양자 생물학적 컴퓨팅으로서 양자 효과를 최초로 연구 한 바 있으며 양자 컴퓨팅을위한 FMO 컴플렉스와 유사한 시스템을 엔지니어링하는 방법을 제안했습니다.

$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$각 반응 센터에서 전류에 접근 할 수 있으며 발색단 에서 엑시톤을 찾을 확률에 비례합니다 .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

FMO 복합체의 양자 효과는 양자 컴퓨팅을위한 생물학적 기질에 어떻게 사용될 수 있습니까? 네트워크 구조에서 엑시톤의 전송으로 인해 양자 효과가 발생한다는 것을 감안할 때, ENAQT는 네트워크 기반 알고리즘의보다 효율적인 구현을 제공 할 수 있습니까 (예 : 최단 경로, 출장 세일즈맨 등)?

추신 : 필요한 경우 관련 참조를 더 추가하겠습니다. 또한 관련 참조도 자유롭게 추가하십시오.

나는 첫 번째 단락에서 작성한 내용의 대부분에 동의하지만 Rebentrost et al. 당신이 언급 한 논문에서, 매우 유사한 논문이 Plenio와 Huelga에 의해 arXiv에 "보조 수송의 결정 : 생물 분자의 양자 네트워크"라고 게시되었으며 실제로 Rebentrost et al.과 같은 저널에 실 렸습니다. 몇 개월 전에 또한 Mohseni 등의 광합성 에너지 전이 에 대한 환경 보조 양자 보행은 Rebentrost 등보다 1 개월 일찍 arXiv에 게시되었고 Plenio-Huelga 논문 8 일 전에 저널에 실렸다.

그러나 실제로 13 년 전에 낸시 마크 리 (Nancy Makri)와 은지 심 (Eunji Sim)은 박테리아 클로로필 (bacteriochlorophylls)에서 전자 이동을위한 완전한 양자 일관성을 모의하는 논문을 썼다 ( 이것 과 이것 참조 ). 또한 11 년 전에 노벨상 수상자 Rudy Marcus는 Marcus 이론 을 사용 하여 동일한 시스템에서 에너지 전달을 연구 했으며 참고 문헌에 331 개의 논문이 실린 주제에 대해이 검토를 썼습니다 .

따라서 bacteriochlorophyll에서 에너지 전달을 연구하기 위해 양자 역학을 사용하는 것은 Rebentrost et al. 종이, 그리고 당신이 언급 한 2007 Engel 논문으로, 에너지 전송을 양자 컴퓨팅에 연결하여 새로운 관심의 물결을 만들었습니다 (이전에 생물학적 / 화학적 에너지 전송에 관심이 없었던 양자 컴퓨팅 커뮤니티 포함), 예 첫 번째 단락에서 언급 한 두 개의 2008 년 논문으로 Martin Plenio 및 Seth Lloyd와 같은 양자 컴퓨팅의 저자를 다루었습니다.

로열 소사이어티 (Royal Society) 회의에서 밥 실 베이 (Bob Silbey)의 연설에서 그가 죽기 전 6 개월도 채되지 않은 "퀀텀 코 히어 런트 에너지 전송 : 생물학과 새로운 에너지 기술에 대한 시사점" 이라는 연설을하면서 양자 생물학을 4 장으로 거슬러 올라갑니다. Schrödinger의 저서 " What is Life? "는 전자 이동에 의해 야기되는 돌연변이에 대해 이야기합니다 (이제 우리는 고등학교 생물학에서 배웁니다 : UV 방사선은 자극을 유발하여 티민 이합체가 형성 되어 암 으로 이어짐 ).

당신이 말할 때 두 번째 단락에서 일이 흥미로워집니다.

이 메커니즘을 통해 분리 효과의 부정적인 영향없이 양자 효과를 상온에서 발생시킬 수 있다는 점을 감안하면 양자 컴퓨팅을위한 응용 분야입니까?

이것에 대한 나의 대답 에서 자극이 진공 모드가없는 진공 상태 (QED에서 진공조차도 여기와 상호 작용할 수있는 모드가 있음)이면 에너지가 앞뒤로 전달된다고 지적했습니다 ( Rabi oscillations ) Poincaré 재귀 정리 의 양자 버전으로 인해 무기한 . 디커 셔 런스를 켰을 때, 이러한 라비 진동은 감쇠되지 않았을뿐 아니라 여기가 반응 센터를 향해 "퍼널 링 (funneled)"되어 후속 광합성을 촉진 할 수 있음을 알 수 있습니다. 이것이 왜 "분리 성 중심의"에너지 전달이라고 불리는 이유이며, 양자 효과가 "분리 성의 부정적인 영향없이"발생한다고 말하는 이유입니다.

양자 컴퓨팅의 의미는 더 미묘합니다.

일관성은 실제로 1ps 후에 사라졌습니다 (Rabi 진동이 1ps에서 사라짐에 유의하십시오). 이것은 디코 히어 런스가 여전히 나쁘다는 것을 의미하며, 실제로 인 도핑 된 실리콘 과 같은 일부 양자 컴퓨터 후보보다 훨씬 나쁩니다 .

다른 방식으로, 일관성은 약 1ps 내에서 FMO에서 제거되는 반면, 인 도핑 된 실리콘에서는 1ps 보다 1 조 배 이상 지속되도록 하였다. FMO는 양자 컴퓨터 (습식, 시끄러운 환경, 디코 히 런스 소스로 가득 찬)가 아니기 때문에 인이 도핑 된 실리콘 실험이 의도적으로 수행 되었기 때문에 12 차수의 차이에 놀랄 필요가 없습니다. 저자가 가능한 가장 긴 실내 온도 일관성 시간을 얻을 수있는 조건에서.

요약하면 다음과 같습니다.

• 감응 작용은 광합성 작용을 돕습니다.
• 디코 히어 런스는 FMO에서 빠르게 발생합니다 (일부 QC 후보의 경우 약 1ps).
• 회로 기반 양자 컴퓨터는 긴 일관성 시간을 요구합니다
• 회로 기반 양자 컴퓨터는 1ps 후에 일관성이 완전히 없어지면, 특히 양자 게이트가 각각 100ns를 소비하는 경우 (초전도 QC에 대한 현실적인 추정치) 제대로 작동하지 않습니다.
• 그러므로 나는 회로 기반 양자 컴퓨터에서 qudits에 대한 발색단에서 여기를 선택하지 않을 것이다. 이러한 양자 컴퓨터는 IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba 등 좋은 양자 컴퓨터를 만들기 위해 열심히 노력하는 실제 회사가 현재 사용하는 기계만큼 기능이 적습니다. 생물학적 발색단이 아닌 초전도 시스템).

결론은 코 히어 런트 2D 분광법을 통해 FMO의 에너지 전달에서 양자 코 히어 런스를 관찰 할 수 있다는 것이 매우 흥미롭지 만,이 코 히어 런스는 내결함성 양자 컴퓨팅에 필요한만큼 오래 지속되지는 않는다는 것입니다. 실험실에서 특별히 양자 컴퓨팅에서 우수한 성능을 발휘하도록 설계된 QC는 훨씬 긴 일관성 시간을 갖습니다. 그렇지 않으면 IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba 등은 초전도 큐 비트가 아닌 생물학적 발색단을 사용합니다.이 회사들은 FMO의 양자 일관성을 잘 알고 있습니다. 실제로 첫 번째 단락에서 언급 한 것처럼 Mohseni는 Engel의 2007 년 논문 이후 시작된이 물결에서 FMO (2008 년)의 일관성에 대해 최초로 글을 썼습니다. 어디 Mohseni가 작동하는지 맞춰보세요? 구글. 당신은 ENAQT가 원래 Patrick Rebentrost에 의해 제안되었다고 말했습니다. Patrick은 발색 QC가 아닌 광 QC를 제조하려는 회사 Xanadu에서 근무합니다. 귀하가 게시 한 DNA를 포함하여 언급 된 논문 중 적어도 4 개를 저술 한 Patrick의 박사 과정 책임자 Alan Aspuru-Guzik은 Google 및 Rigetti의 양자 팀의 여러 다른 사람들의 박사 고문이기도했습니다.이 회사들은 FMO의 일관성에 대해 알고 FMO 논문에 많은 주요 저자를 고용하며 FMO에서 영감을 얻은 양자 컴퓨터를 만드는 것이 좋은 아이디어라면 그것을 알고 있지만 대신 초전도 큐 비트를 사용하고 때로는 이온 트랩 또는 광자 .