Квантовая биология: сверхпроводящие кубиты помогают объяснить фотосинтез

Международная команда квантовых физиков научилась моделировать процессы, которые могут помочь в расшифровке механизмов фотосинтеза. Создав при температуре почти абсолютного нуля систему на основе всего одного сверхпроводящего кубита, исследователи смогли вывести квантовомеханическое моделирование природных процессов на новый уровень сложности и приближенности к реальным механизмам.

Статья про исследование была опубликована в журнале Nature Communications.

«Группа международных учёных из НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра, Университета Карлсруэ и Университета Майнца из Германии при активном участии руководителя лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ "МИСиС", профессора Алексея Устинова, продемонстрировала возможности решения целого ряда фундаментальных проблем квантовой физики и квантовой химии, связанных с взаимодействием света и вещества, – отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. – Системы на основе сверхпроводящих кубитов позволяют решать задачи, с которыми обычные суперкомпьютеры справиться не могут».

Как пояснил один из авторов исследования, руководитель лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» профессор Алексей Устинов, речь идет о системах с сильным взаимодействием света и вещества, когда сила этого взаимодействия сравнима с величиной перехода между энергетическими уровнями, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet Today. Дело в том, что когда это взаимодействие слабое, то существуют приближенные методы, которыми такие задачи можно посчитать на компьютере – вычислить энергии квантовых состояний и увидеть изменения в системе. Но в природе существуют процессы, когда взаимодействие между светом и веществом никак нельзя считать слабым. Например, фотосинтез. В процессе фотосинтеза поглощается квант света – фотон, и его энергия при взаимодействии с веществом поглощается почти полностью. КПД этого процесса больше 50%. Это очень высокоэффективный процесс преобразования энергии света в энергию, хранящуюся в материи. И в новой области, которая уже получила название «квантовая биология», существует положение, что подобные процессы связаны с квантовомеханическим преобразованием энергии за счет очень сильного взаимодействия между светом и веществом.

«Свет в момент поглощения взаимодействует с гармоническими осцилляторами (это физическая модель колебаний межатомных связей в молекулах), – рассказывает профессор Устинов. – В данном случае нам важно понимать, что взаимодействие идет с осцилляторами молекул, отвечающих за фотосинтез. Также стоит учесть, что фотон относится к бозонам. Одно из свойств этих частиц заключается в том, что в одном осцилляторе может находиться неограниченное количество таких частиц в одинаковом квантовом состоянии. Следствием этого становится то, что в системе можно запасти большое количество энергии на одной частоте (наполнить один осциллятор большим количеством квантов света)».

Вообще говоря, квантовая механика устроена так, что в неё нельзя корректным образом ввести энергетические потери. И чтобы учесть потери энергии при взаимодействии света и вещества (а учитывать их надо, потому что они существуют), физики придумали следующее: они говорят, что рассматриваемая квантовая система взаимодействует с большим количеством осцилляторов, которые забирают энергию у квантовой системы. Когда взаимодействие слабое, рассчитать его относительно легко, и физики разработали несколько моделей. Для случаев, когда сила взаимодействия между светом и веществом большая, а именно такой вариант интересен для понимания многих важных процессов, методов расчета нет. Большой силой взаимодействия ученые называют такую, при которой энергия взаимодействия сравнима с разницей между энергетическими уровнями. И тогда на помощь приходит моделирование, называемое квантовой симуляцией. С помощью сверхпроводящих схем создается модель, на которой можно посчитать, как возникает сильное взаимодействие.

В данном случае была сделана схема, предназначенная для моделирования сильного взаимодействия, измерены её характеристики. Оказывается,  наиболее характерное, что происходит в данной системе – это биения. То есть, в системе не просто происходят некие колебания, а их амплитуда начинает меняться со своей собственной частотой. Такие биения показывают, что в системе существует сильное взаимодействие.

Такую систему, в которой есть только один осциллятор и всего одна двухуровневая система (то есть, частица может совершать только один энергетический переход между уровнями), можно рассчитать на компьютере, подчеркнул профессор Устинов. И в данной работе такой расчет приведен. Но как только система становится хоть немного более сложной, такой расчет становится уже невозможным. Зато аналоговые системы, подобные разработанной в данной работе методике, позволяют решать широкий класс подобных сложнейших задач.