1970 年代半ば、オックスフォード大学の学部生だった K. Birgitta Whaley は、化学と物理学のどちらかを選択するのに苦労しました。現在、カリフォルニア大学バークレー校の教授であり、同大学の量子情報計算センターの所長である彼女は、その必要はありません。彼女の研究対象は、化学と物理学、さらにはコンピューター サイエンスと彼女の最新の研究は、物理学と生命科学が出会う量子生物学です。
2007 年、Whaley が生物学に目を向けたのは、緑色硫黄細菌が華氏 80 度までの温度で量子力学的効果を生物学的に制御することにより、光から糖を合成できることを実験家が実証した後です。理論家として、Whaley は、堅牢な量子コンピューターを設計する方法の手がかりを探しているため、これらの生物がいかに効率的に量子情報を処理できるかを知ることに興味を持っています。しかし、自然の中で室温で量子情報を処理できる緑のバクテリアとは異なり、私たちの最高の量子コンピューターのプロトタイプは、実験室で絶対零度に近い温度で量子効果を制御することに限定されています.
単純なバクテリアを超えて、鳥は現在、量子力学を使用して移動をマッピングすると考えられており、量子科学に応用できる可能性があります.
生物学は化学から生まれ、化学は量子確率によって支配される微視的な領域で原子と分子がどのように相互作用するかから生まれます。量子力学の基本ツールは、1926 年に Erwin Schrödinger によって発表された波動方程式です。これは、特定の量子オブジェクトまたはシステムのすべてのプロパティをリストするために使用されます。たとえば、単一の電子が可能な非同一の空間位置の全範囲などです。 同時に占有します。原子粒子または生体分子が複数の場所、時間、またはエネルギー状態に同時に存在するという直感に反するが十分に証明されたこの能力は、重ね合わせと呼ばれます。
量子生物学におけるもう 1 つの重要な概念は、エンタングルメントです。 2つ以上の原子粒子が絡み合っているということは、それらがどんなに離れていても、たとえ光年であっても、それらの間で瞬時に情報を伝達できることを意味します. (しかし、転送された情報を理解するために、オブザーバーは、光速以下でしか転送できないデコード命令を受信する必要もあります)。
そして、エントロピーがあります。孤立したシステムがスタシス (熱死または最大無秩序の状態) に近づく傾向です。シュレディンガーは 1944 年の著書「What is Life?」で、ショウジョウバエなどの生物が量子力学的効果を利用して無秩序から秩序を生み出すことでエントロピーと戦う方法に焦点を当てました。
秩序とは、閉じたシステム内で情報の単位またはエネルギー量がどのように配置されているかであると考えてください。システム内のエネルギーが消散するにつれて、情報はシステムから失われ、混乱が始まります。その環境にアクセスすることによる情報またはエネルギーの内容は、秩序の回復に等しい.シュレディンガーは、システム内のエネルギーを並べ替えるプロセスを「負のエントロピー」と呼びました。彼は、人生の闘いは「環境から秩序を絶えず吸い取ることにある」と書いています。
環境に情報を失わずに重ね合わせともつれを制御する方法を学ぶことは、必須条件です。 原子と分子の配列をトランジスタとして使用して計算を実行できる実行可能な量子プロセッサを構築するため。 Whaley は、急成長している量子生物学の分野における継続的な発見が、新しい量子デバイスの画期的な設計につながることを大いに期待しています。
3 月、Whaley は、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の Kavli Institute for Theoretical Physics の高校教師の集まりに、生物学的システムの量子制御の基礎を説明しました。最近では、彼女は Quanta Magazine との 2 時間のインタビューに参加しました。これはその会話を要約して編集したものです。
QUANTA MAGAZINE:量子生物学は新しいものですか、それとも古い新しいものですか?
K. BIRGITTA WHALEY:Schrödinger の生物物理学の本「What is Life?」 DNA の原子構造が発見される何年も前に登場しました。その中で彼は、量子物理学が生命の「コード」を含む「遺伝子分子」の進化を支配していると主張しました。そして彼は、生物系はエントロピーと崩壊の影響を受けやすいため、量子環境から継続的にエネルギーを引き出さなければ死ぬ必要があると提案しました.
彼の主張を補強するために、シュレディンガーは 1930 年代にマックス・デルブリュックが行った実験的研究を広く利用しました。デルブリュックは、物理学者から生物学者に転向した人物であり、生命の反応が起こるためには有機分子がエネルギー障壁を飛び越えなければならないという事実によって、生物材料の化学的安定性が決定されることを認識していました。これらのエネルギー障壁の高さは、生命体を構成する電子、原子、分子間の量子相互作用によって決まります。
これはラボでどのように行われましたか?
Delbrück は、ショウジョウバエの染色体の塊に X 線を照射して、遺伝子変異の発生率を調べましたが、彼のプローブでは原子スケールの量子ダイナミクスをリアルタイムで調査することはできませんでした。 1960 年代にレーザーが登場したことで、それが可能になりました。現在、私たちはレーザー光の交差するパルスを分光計で測定し、1000 分の 1 秒単位でリアルタイムに生体の分子動力学を追跡しています。
植物の化学的性質をレーザーで調べることにより、生物の量子成分とそれらの局所的な環境である環境「風呂」との間の相互作用を観察することができます。しかし、「オープンな」量子システムと生体内のその槽は、実際には分離されていません。それらは、大量のエネルギーと情報をやり取りすることによって、継続的に互いに影響を与え合っています。
量子生物学に惹かれた理由は何ですか?
グラハム・フレミングによる壮大な実験が、過冷却された緑色硫黄バクテリアの光合成中に量子コヒーレンスの存在を示した後、私は6年前に夢中になりました.その後の実験では、周囲温度での量子相互作用が追跡されました。
量子コヒーレンスとは?
コヒーレンスとは、異なる時間と場所での量子状態の協調ダイナミクス、または他の状態との協調ダイナミクスです。コヒーレンスの反対はデコヒーレンスです:孤立した量子システムが開き、その原子環境と精力的に相互作用すると、急速にデコヒーレンスが解除されます:それらは量子力学的な協調的性質 (コヒーレンス) を失い、古典的、巨視的に振る舞い始めます。デコヒーレンスは、量子コンピューターを構築する際の主な障害です。
なぜですか?
機械であろうと植物であろうと、閉じた量子システムをその槽から隔離しておくことは困難です - または、実験者が光合成でリアルタイムのコヒーレンスイベントを捉え始めるまで、私たちはそう思っていました.彼らは、バクテリアの電子励起のコヒーレントな重ね合わせを見ました。
光合成の量子力学とは?
光合成では、バクテリアと植物は太陽光を電子に変換し、次に化学エネルギーに変換します。モデルは次のとおりです。光子は、タンパク質の足場に埋め込まれたクロロフィル分子によって最初に吸収されます。これらの集光「アンテナ」は、このフォトニック エネルギーを電子の励起として、一連の量子力学的にリンクされたクロロフィル分子を介して、トラップされたエネルギーがエネルギー貯蔵糖の製造を触媒する反応サイトに伝達します。
フレミングの実験まで、集光では、電子励起がアンテナ構造を介してランダムに非効率的に拡散し、伝達のさまようプロセス中に捕捉された太陽入力の多くを失うと考えられていました.
確率振幅波として機能する単一の電子励起が、アンテナセルを反応中心に接続するさまざまな分子経路を同時にサンプリングできることを示すことができます。励起は、可能性のあるパスの量子メニューから、葉の表面から糖変換部位までの最も効率的なルートを効果的に「選択」します。これには、移動する粒子のすべての可能な状態が、数十フェムト秒間、単一のコヒーレントな量子状態に重ね合わされる必要があります。
この驚くべき現象を緑色硫黄バクテリアで見てきましたが、人間は、このような複雑なシステムでコヒーレントな電子量子状態をこれほど長期間にわたって自然がどのように安定化できるのかをまだ理解していません.
この自然からの教訓を利用して、人工の集光装置を構築できますか?
世界中の研究所が、自然の光合成をモデルにした化学太陽電池のプロトタイプの構築に取り組んでいます。テーラーメイドの分子を含む有機系は高度に調整可能であることが判明しました。秘訣は、入力データを失わないことです。緑色硫黄バクテリアによって捕捉された各光子が利用されます。この生物学的偉業を模倣することで、堅牢で制御可能な、量子力学的に強化された光子収集デバイスを作成するための準備が整う可能性があります。
スケーラブルな量子コンピューターの設計に苦労している私たちは、緑の硫黄バクテリアのようなオープンな量子システムを介して、自然がどのようにエネルギーの流れを非常に効率的に制御しているかに魅了されています.
量子情報処理プロセッサの主な問題は、重畳された「量子ビット」または原子サイズのプロセッサで計算している間、微視的なオペレーティング システムを「閉じた状態」に保つ必要があることです。これまでのところ、エンジニアは、デコヒーレンスによってバスにデータが失われないように十分な時間コヒーレントな状態に保持されたキュービットで計算できるオープンな量子システムを作成することしか夢に見ることができません。
驚くべきことに、これらの光合成バクテリアは実際にデコヒーレンスを利用して、情報の完全性を失うことなく生体量子ワイヤーを取り囲むタンパク質浴の振動エネルギーにアクセスすることで、電子情報の転送をスピードアップできるようです。
これらのバクテリアは原始植物であり、本当に量子コンピューターですか?
植物は、真の量子コンピューターができると予測される速度とほぼ同じ速度で内部的に情報を処理することはできません。しかし、私たちが研究したバクテリアは、機械ではまだ再現できない量子力学的なトリックを使って、非常に高い効率で情報を伝達しています.
量子力学はマクロスケールで生命の進化に影響を与えましたか?
植物やバクテリアは、光からエネルギーを効率よく取り込むために、激しい選択を受ける可能性があります。これは、今日の光合成システムが通常非常に効率的であり、この光エネルギーの収集の根底にある量子プロセスを検出できる理由を説明するかもしれません.
鳥は量子力学をどのように利用していますか?
渡り鳥は、地球の磁場の傾きが緯度の関数として変化するという事実、つまり渡り鳥が位置する北の距離を利用しています。赤道では、磁場は地球に接しています。北極では垂直です。鳥が長距離を飛ぶと、下にある地球の局所的な表面の平面に対して磁場の傾きが変化します。
鳥の目の量子力学的プロセスは、磁場の傾きの変化角度に敏感に依存する信号を脳に送信し、それによって鳥がルートをマッピングできるように思われます。仮説は、鳥の網膜の光吸収分子のペアが、量子力学的に絡み合った電子を生成し、その量子力学的状態が場の角度傾斜に依存し、傾斜の程度に応じて異なる値の信号を脳に送信する化学反応を触媒するというものです。 .
それは鳥が正しい目的地を選択するのにどのように役立ちますか?
彼らは遺伝的に方向性を計算する量子力学的能力を備えているように見えますが、最初の移動中に、経験豊富な年長の鳥によって祖先の冬の家に導かれます。それはおそらく人間が言語を学ぶのと似ています.
鳥の脳は制御可能な量子システムですか?
網膜内の絡み合った両方の分子の正体と位置を知っていれば、そうなるでしょう。光子トラップ分子の位置はわかっていますが、マッピング信号を開始するラジカル対の 2 番目の電子を提供する分子はまだ見つかっていません。
なぜですか?
鳥の脳を研究するための研究費を集めるのは難しい。さらに、分子レベルで何が起こっているのかを明確に把握するには、それらを殺さなければならず、多くの人は鳥が好きです.一方、ゴキブリもそうしている可能性があります。
シュレーディンガーの脳に戻りましょう。 1953 年に、彼はパラドックスを提案しました。彼の波動方程式によると、巨視的な物体は微視的な原子と分子で構成されています。小さな天体は波状、振動、可逆、または「コヒーレント」な重ね合わせで見られるのに、大きな天体も重ね合わされないのはなぜでしょうか?シュレディンガーが「量子クラゲ」と呼んだものに生物が変化するのを妨げているのは何ですか?
大きな重ね合わせはデコヒーレンスによって信じられないほど速く洗い流されるため、「クラゲ化」を回避します。光合成では、化学反応により、エネルギー移動の量子プロセスに不可逆性が急速に導入されます。全体的な生物学的ダイナミクスを駆動する熱力学的またはエントロピー的な力が常に存在します。バクテリアや植物や人間がクラゲにならないのは、生物学的ダイナミクスに構造、組織があるからです。
私たちはすべての詳細を理解しているわけではありませんが、生物学の領域では、自然は量子物理学における情報処理に関連する典型的なパラドックスを示していないようです:そして、オープンな生物学的量子システムを探求する限り、それは量子コンピューターの未来にとって良い兆候です.エンジニアリングモデルとして。
