Компьютерра - Цифровой журнал «Компьютерра» № 5

К оглавлению

В то время как физики многих стран уже который год и не слишком успешно бьются над тем, чтобы построить эффективный квантовый компьютер при низких, криогенного уровня температурах, другие исследователи выбрали существенно иной путь. И ныне они уже практически уверены, что биологические организмы — в частности, растения, водоросли и бактерии — не только способны к выполнению квантовых вычислений, но и на протяжении миллиардов лет в процессе фотосинтеза делают это при максимально дружелюбной для жизни температуре.

Благодаря процессу фотосинтеза зелёные растения и сине-зелёные водоросли способны передавать солнечную энергию в центры молекулярных реакций для её преобразования в химическую энергию с почти 100-процентной эффективностью. Считается, что ключом тут является скорость — преобразование солнечной энергии происходит почти мгновенно, так что совсем малая её часть теряется на выделение тепла.

Но вот каким именно образом фотосинтез организует такую почти мгновенную передачу энергии — это очень давняя загадка, к решению которой физики начали всерьёз подступаться лишь в 2005–2007 годах. Исследования того периода, проведённые учёными Лоуренсовской лаборатории в Беркли (Berkeley Lab) и Калифорнийского университета в Беркли, продемонстрировали, что ответ, похоже, лежит в квантово-механических эффектах. А именно, было получено первое прямое свидетельство тому, что важную роль в процессах передачи энергии при фотосинтезе играет на удивление долго длящаяся волноподобная квантовая когерентность электронов в молекулах, поглощающих свет. Правда, поначалу продемонстрировать это удалось на образцах бактериохлорофилла, глубоко охлажденных до 77 градусов Кельвина (см. Nature 446, 782–786,12 April 2007)

Теперь же, в одном из последних выпусков журнала Nature, опубликована статья другой группы исследователей из Университета Торонто, Канада, которые показали, что участвующие в фотосинтезе молекулы морских водорослей для передачи световой энергии без потерь могут задействовать квантовые процессы и при комнатной температуре (см. Nature 463, 644–647, 4 February 2010). Вплоть до настоящего времени, можно напомнить, подавляющее большинство физиков исключает квантовые процессы в работе биологических организмов, настаивая, что при столь высоких температурах квантовые эффекты не могут сохраняться настолько долго, чтобы давать что-нибудь полезное для жизнеобеспечения.

Для понимания сути того, что сделали в канадском университете, понадобится немного углубиться в нюансы фотосинтеза. Данный процесс начинается в клетке тогда, когда крупные светособирающие структуры, именуемые антеннами, захватывают фотоны. Конкретно в водорослях Chroomonas CCMP270, изучавшихся биофизиками, эти антенны имеют восемь пигментных молекул, вплетенных в более крупную белковую структуру, причем разные пигменты абсорбируют свет из разных частей светового спектра. Затем энергия фотонов проходит через антенны к той части клетки, где она используется для выработки сахара — химического топлива организма.

Критично важным в данном процессе является маршрут, который выбирает энергия при своих прыжках через эти крупные молекулы, потому что чем длиннее маршрут, тем больше могут быть потери. В классической физике считается, что энергия может перемещаться по молекулам только случайным образом. Однако торонтские исследователи обнаружили, что в действительности механизм выбора маршрута для энергии может быть в высшей степени эффективным. А свидетельство тому дает согласованное поведение пигментных молекул в антеннах водорослей Chroomonas.

Сначала учёные коротким лазерным импульсом возбуждала две из этих молекул, из-за чего электроны в пигментных молекулах переходили в квантовую суперпозицию возбужденных состояний. Когда такая суперпозиция схлопывается (коллапсирует), то излучаются фотоны несколько иных длин волн, которые, с одной стороны, свидетельствуют о наличии квантового эффекта, а с другой, в свою очередь, накладываются друг на друга с образованием характерной интерференционной картины. Изучая именно эту структуру интерференции в излучаемом свете, исследователи смогли восстанавливать детали квантовой суперпозиции, которая порождает наблюдаемую картину.

Результаты данного анализа получились воистину удивительными. Оказалось, что в суперпозиции участвуют не только две пигментные молекулы в центре антенн, но также и шесть остальных пигментных молекул. Причем это состояние квантовой когерентности связывает все молекулы необычайно долго — на протяжении 400 фемтосекунд (4 Ч 10 -13 секунд). Этот интервал оказывается достаточно длительным для того, чтобы энергия абсорбированных фотонов одновременно «опробовала» все возможные пути движения по антенне. Когда же когерентность заканчивается, энергией уже выбран оптимальный маршрут, позволяющий осуществить перемещение без потерь.