La cohérence quantique dans le complexe FMO a-t-elle une signification pour l'informatique quantique (sur un substrat biologique)?

Les effets quantiques du complexe FMO (complexe de collecte de lumière photosynthétique trouvé dans les bactéries vertes du soufre) ont été bien étudiés ainsi que les effets quantiques dans d'autres systèmes photosynthétiques. L'une des hypothèses les plus courantes pour expliquer ces phénomènes (en se concentrant sur le complexe FMO) est le transport quantique assisté par l'environnement (ENAQT) décrit à l'origine par Rebentrost et al. . Ce mécanisme décrit comment certains réseaux quantiques peuvent «utiliser» la décohérence et les effets d'environnement pour améliorer l'efficacité du transport quantique. Notez que les effets quantiques proviennent du transport d' excitons d'un pigment (chlorophylle) dans le complexe à un autre. (Il y a une question qui discute les effets quantiques du complexe FMO plus en détail).

Étant donné que ce mécanisme permet aux effets quantiques de se produire à température ambiante sans les effets négatifs de la décohérence, leurs applications sont-elles pour l'informatique quantique? Il existe quelques exemples de systèmes artificiels qui utilisent l'ENAQT et les effets quantiques associés. Cependant, ils présentent les cellules solaires biomimétiques comme une application potentielle et ne se concentrent pas sur les applications de l'informatique quantique.

À l'origine, on a émis l'hypothèse que le complexe FMO exécute un algorithme de recherche de Grover, mais d'après ce que je comprends, il a maintenant été démontré depuis que ce n'est pas vrai.

Il y a eu quelques études qui utilisent des chromophores et des substrats non trouvés en biologie (ajouteront des références plus tard). Cependant, je voudrais me concentrer sur les systèmes qui utilisent un substrat biologique.

Même pour les substrats biologiques, il existe quelques exemples de systèmes conçus qui utilisent ENAQT. Par exemple, un système à base de virus a été développé en utilisant le génie génétique. Un circuit excitonique à base d'ADN a également été développé. Cependant, la plupart de ces exemples présentent le photovoltaïque comme exemple principal et non l'informatique quantique.

Vattay et Kauffman a été (AFAIK) le premier à étudier les effets quantiques en tant qu'informatique biologique quantique, et a proposé une méthode d'ingénierie d'un système similaire au complexe FMO pour l'informatique quantique.

Comment pourrions-nous utiliser ce mécanisme pour construire de nouveaux types d'ordinateurs? Dans le cas de la récolte légère, la tâche du système est de transporter l'exciton le plus rapidement possible vers le centre de réaction dont la position est connue. Dans une tâche de calcul, nous aimerions généralement trouver le minimum d'une fonction complexe . Pour la simplicité, cette fonction n'a que des valeurs discrètes de 0 à K. Si nous sommes capables de mapper les valeurs de cette fonction aux énergies du site électrostatique des chromophores H n n = ϵ 0 f n et nous déployons des centres de réaction près d'eux piéger les excitons avec un certain taux$f_n$$H_{nn} = \epsilon_0 f_n$$κ$et peut accéder au courant à chaque centre de réaction, il sera proportionnel à la probabilité de trouver l'exciton sur le chromophore .$j_n ∼ κ\rho_{nn}$

Comment les effets quantiques du complexe FMO peuvent-ils être utilisés sur un substrat biologique pour le calcul quantique? Étant donné que les effets quantiques se produisent en raison du transport d'excitons sur les structures de réseau, l'ENAQT pourrait-il fournir des implémentations plus efficaces d'algorithmes basés sur le réseau (ex: chemin le plus court, vendeur itinérant, etc.)?

PS J'ajouterai des références plus pertinentes si besoin. N'hésitez pas à ajouter également des références pertinentes.

Je suis d'accord avec la plupart de ce que vous avez écrit dans le premier paragraphe, bien que je dirais que à peu près au même moment (à seulement 1 mois d'intervalle!) Que Rebentrost et al. article que vous avez mentionné, un article très similaire a été publié sur arXiv par Plenio et Huelga intitulé "Déphasage du transport assisté: réseaux quantiques dans les biomolécules" et il a en fait été publié dans la même revue que Rebentrost et al. papier, mais quelques mois plus tôt. Il y avait aussi Mohseni et al., Environment-Assisted Quantum Walks in Photosynthetic Energy Transfer, publié sur arXiv un mois plus tôt que Rebentrost et al., Et publié dans un journal 8 jours avant l'article de Plenio-Huelga.

Mais en fait 13 ans avant tout cela, Nancy Makri et Eunji Sim ont écrit des articles simulant la cohérence quantique complète pour le transfert d'électrons dans les bactériochlorophylles (voir ceci et cela ). Aussi 11 ans avant cela, le prix Nobel Rudy Marcus a utilisé la théorie de Marcus pour étudier le transfert d'énergie dans le même système, et a écrit cette revue sur le sujet avec 331 articles répertoriés dans la bibliographie.

Ainsi, l'utilisation de la mécanique quantique pour étudier le transfert d'énergie dans la bactériochlorophylle remonte à des décennies avant que Rebentrost et al. papier, et c'est le document Engel de 2007 que vous avez mentionné, où ils ont connecté le transfert d'énergie à l'informatique quantique, ce qui a créé une nouvelle vague d'intérêt (y compris dans la communauté de l'informatique quantique qui auparavant n'était pas intéressée par le transfert d'énergie biologique / chimique, exemples étant les deux articles de 2008 mentionnés dans le premier paragraphe, qui présentaient des auteurs de l'informatique quantique tels que Martin Plenio et Seth Lloyd).

J'ai eu la chance de voir Bob Silbey lors de la réunion de la Royal Society intitulée "Transfert d'énergie cohérent quantique: implications pour la biologie et les nouvelles technologies énergétiques" moins de 6 mois avant sa mort, et il a retracé la biologie quantique jusqu'au chapitre 4 de Le livre de Schrödinger " What is Life? " Qui parle de mutations provoquées par transfert d'électrons (ce que nous apprenons maintenant en biologie au lycée: le rayonnement UV provoque des excitations qui provoquent la formation de dimères de thymine , conduisant au cancer).

Les choses deviennent intéressantes dans votre deuxième paragraphe lorsque vous dites:

Étant donné que ce mécanisme permet aux effets quantiques de se produire à température ambiante sans les effets négatifs de la décohérence, leurs applications sont-elles pour l'informatique quantique?

Dans ma réponse à ce que je fait remarquer que si les excitations étaient dans un vide sans modes de vide (en QED, même un vide a des modes qui peuvent interagir avec les excitations), alors l'énergie serait tout simplement transférer et - vient ( oscillations de Rabi ) indéfiniment en raison de la version quantique du théorème de récurrence de Poincaré . Vous pouvez voir que lorsque j'ai activé la décohérence, ces oscillations Rabi ne se sont pas seulement amorties, mais aussi l'excitation a été "canalisée" vers le centre de réaction, ce qui lui a permis d'alimenter la photosynéthèse suivante. C'est pourquoi on parle de transfert d'énergie "induit par la décohérence", et pourquoi vous dites que les effets quantiques se produisent "sans les effets négatifs de la décohérence".

Les implications pour l'informatique quantique sont cependant plus subtiles.

Notez que la cohérence a pratiquement disparu après 1ps (notez que les oscillations Rabi ont disparu à 1ps). Cela signifie que la décohérence est toujours mauvaise, en fait bien pire que dans certains candidats informatiques quantiques tels que le silicium dopé au phosphore .

Autrement dit, la cohérence est tuée dans le FMO en environ 1ps, tandis que dans le silicium dopé au phosphore, elle a été conçue pour durer plus d'un billion de fois plus longtemps que 1ps. Vous ne devriez pas être surpris par cette différence de 12 ordres de grandeur, car le FMO n'était pas censé être un ordinateur quantique (c'est un environnement humide, bruyant, plein de sources de décohérence), tandis que les expériences sur le silicium dopé au phosphore ont été faites exprès dans des conditions qui permettraient aux auteurs d'obtenir le temps de cohérence température ambiante le plus long possible.

Donc en résumé:

• la décohérence aide au travail de photosynthèse,
• la décohérence se produit rapidement dans le FMO (environ 1ps, vs secondes pour certains candidats QC)
• les ordinateurs quantiques basés sur des circuits nécessitent de longs temps de cohérence
• les ordinateurs quantiques basés sur des circuits ne fonctionneront pas bien si la cohérence est complètement perdue après 1ps, en particulier si les portes quantiques prennent 100ns chacune (ce qui est une estimation réaliste pour les QC supraconducteurs).
• Par conséquent, je ne choisirais pas d'excitations en chromophores pour les qudits dans un ordinateur quantique basé sur un circuit. Un tel ordinateur quantique est moins susceptible d'être aussi performant que les machines actuellement fabriquées par les vraies entreprises qui s'efforcent de faire de bons ordinateurs quantiques: IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, etc. utilisent tous systèmes supraconducteurs, pas de chromophores biologiques).

L'essentiel est qu'il est très intéressant que nous puissions observer la cohérence quantique dans le transfert d'énergie du FMO via la spectroscopie 2D cohérente, mais cette cohérence ne dure pas aussi longtemps que nous en avons besoin pour un calcul quantique tolérant aux pannes, et les QC qui ont été conçus en laboratoire spécifiquement pour bien fonctionner en informatique quantique, ont des temps de cohérence beaucoup plus longs. Sinon, IBM, Google, D-Wave, Rigetti, Intel, Alibaba, etc. utiliseraient des chromophores biologiques, pas des qubits supraconducteurs.Ces entreprises sont bien conscientes de la cohérence quantique de la FMO. En fait, comme indiqué dans mon premier paragraphe, Mohseni a été le premier à écrire sur la cohérence au sein de la FMO (en 2008) dans cette vague qui a commencé après la publication d'Engel en 2007. Devinez où Mohseni travaille? Google. Vous avez dit que l'ENAQT avait été initialement proposé par Patrick Rebentrost. Patrick travaille chez Xanadu, une entreprise qui essaie de fabriquer des QC photoniques, pas des QC chromophoriques. Alan Aspuru-Guzik, le directeur du doctorat de Patrick, qui a rédigé (au moins) 4 des articles mentionnés, y compris celui sur l'ADN que vous avez publié, était également le conseiller de doctorat de plusieurs autres personnes dans les équipes quantiques de Google et Rigetti.Ces entreprises connaissent la cohérence dans le FMO, emploient de nombreux auteurs principaux sur ces articles FMO, et si c'était une bonne idée de construire un ordinateur quantique inspiré de FMO, elles le sauraient, mais au lieu de cela, elles utilisent toutes des qubits supraconducteurs et parfois pièges à ions ou photonique .