Eficiencia en los procesos biomoleculares de la naturaleza, como la fotosíntesis, no se explica completamente por la teoría convencional. El proyecto PAPETS, financiado con fondos europeos, exploró los efectos cuánticos para comprender mejor estos procesos, recientemente, lo que ha conducido a una mayor comprensión de las posibilidades de la computación cuántica.

Hasta hace relativamente poco tiempo se pensaba que el extraño comportamiento de las entidades reportadas por la física cuántica, se manifestó principalmente a nivel submicroscópico. Sin embargo, En los últimos años, Se han hecho preguntas sobre el papel del comportamiento cuántico en más Procesos biológicos macroscópicos. El trabajo anterior del proyecto PAPETS financiado con fondos europeos sobre este fenómeno biológico, principalmente en la fotosíntesis y el olfato, ha contribuido a estos hallazgos recientes.

Dos efectos cuánticos podrían explicar los procesos biológicos que han desconcertado un tanto a los investigadores, a saber:la capacidad de existir en varios lugares al mismo tiempo (superposición), además de poder desaparecer instantáneamente, y luego reaparecerán en un lugar completamente diferente.

El laberinto cuántico

Investigadores basándose en el trabajo realizado como parte del proyecto PAPETS, explicar en el diario Cartas de revisión física cómo recientemente lograron explotar la temporalidad para tareas de computación cuántica realizadas en redes dinámicas aleatorias. Para probar las limitaciones de la computación cuántica, el equipo estudió un algoritmo de búsqueda espacial utilizando información cuántica, para encontrar un nodo marcado en una red temporal aleatoria.

Los autores señalan que ya se había demostrado que la computación cuántica ofrecería una ventaja de velocidad en las tareas de búsqueda dentro de las redes por encima de un cierto umbral de conectividad nodal. Sin embargo, También encontraron que por debajo de este umbral de conexiones, la ventaja cuántica ya no se mantuvo.

En el estudio, los investigadores aleatorizaron continuamente la disposición real de la red, con el número de conexiones también cambiando, manteniendo constante el número de nodos. Descubrieron que cualquiera que sea el grado de conectividad, el algoritmo de búsqueda cuántica siempre encontrado, a qué se refieren, 'una frecuencia' para generar nuevos arreglos de red, para encontrar el nodo marcado. Curiosamente, el equipo descubrió que incluso cuando imponían un sesgo que resultaba en una conectividad muy baja de los nodos, con muchos nodos aislados del resto de la red, el algoritmo creó nuevos arreglos de redes a un ritmo más rápido para compensar.

Los resultados de los investigadores fueron contrarios a la expectativa de que al intentar encontrar un nodo marcado en una red, ya sea social, natural o tecnológico, el algoritmo de búsqueda cuántica tendría problemas con la naturaleza cambiante de la red (perdiendo y ganando enlaces con el tiempo). De hecho, demuestran que esta característica temporal se puede utilizar como un control para el rendimiento del cálculo. Si bien el equipo anticipa que su trabajo beneficiará a las tecnologías de la información cuántica, para comunicación y computación, también contribuye a la comprensión de los procesos biológicos.

Cuando los efectos cuánticos se encuentran con la biología

El proyecto PAPETS (Procesos asistidos por fonones para la transferencia y detección de energía) ha terminado. Fue creado para explorar cómo la dinámica vibratoria y electrónica, específicamente mecanismos asistidos por fonones, juega un papel clave en la estructura y función de los sistemas biomoleculares. El proyecto examinó el papel que podrían desempeñar los efectos cuánticos para hacer que la fotosíntesis de las plantas sea tan eficiente como es, al permitir que los excitones portadores de energía exploren diferentes caminos en la hoja simultáneamente, encontrar la ruta más eficiente hacia las moléculas de combustible objetivo. Los resultados están contribuyendo a los esfuerzos por diseñar mejores células solares.

Adicionalmente, el estudio analizó la forma en que los efectos cuánticos podrían ayudar a la capacidad olfativa para reconocer los olores de las moléculas, a través de un proceso conocido como 'túnel cuántico', que ayuda a una molécula de olor a unirse con un receptor. Este conocimiento ofrece la posibilidad de desarrollar tecnologías para la detección de olores que podrían, por ejemplo, detectar peligros en los alimentos o el agua.