Эксперименты в физических лабораториях обещают принести в нашу жизнь такие чудеса как квантовые компьютеры, высокоэффективные солнечные элементы, сверхскоростные и надежные поезда на магнитной подушке, — но пока все это отделено от нас глубоким вакуумом и сверхнизкими температурами, в пределах которых только и можно с уверенностью наблюдать квантово-механические явления. С этих позиций весьма удивительно, что в теплом и хаотичном мире живой материи квантовые явления играют важную роль и даже могут научить нас эксплуатировать капризные «кванты» за пределами лаборатории.

Способность птиц к ориентации в магнитном поле Земли — в основе своей квантовый эффект. Картинка: Daren Newman [1].

На первый взгляд, мир квантовых эффектов и мир живой материи никоим образом не пересекаются. Первый существует исключительно в субнанометровом масштабе под глубоким вакуумом и при сверхнизких температурах — в общем, в тщательно контролируемых лабораторных условиях. Жизнь же «заселяет» макроскопическую теплую область, наполненную всем чем угодно, но только не контролируемыми условиями. Любой физик скажет, что такое загадочное состояние как квантовая когерентность (и, тем более, квантовая сцепленность) не сможет просуществовать и секунды в постоянно движущейся среде живой клетки.

Ну а как же на второй взгляд? Исследования последних лет намекают на то, что природе известны приемы, которыми не владеют физики: когерентные квантовые процессы могут играть весьма заметную роль и в нашем, макроскопическом мире. Среди примеров — способность перелетных птиц к навигации с использованием линий магнитного поля Земли и тонкости работы фотосинтеза — одной из самых важных биохимических реакций на планете.

Постепенно осознавая роль квантовых эффектов в жизненных процессах, некоторые исследователи даже поговаривают о рождении новой дисциплины — квантовой биологии. Физики же интересуются возможными практическими выгодами «подглядывания» за биологией: «Хотелось бы научиться эксплуатировать квантовые явления так же эффективно, как это делает биология», — говорит Зет Ллойд (Seth Lloyd), физик из Массачусетского технологического института в Кембридже (США). — «Если бы удалось понять, каким образом чрезвычайно „капризные“ квантовые состояния не разрушаются в живых организмах, это, может быть, приблизило бы нас к туманной пока перспективе квантовых компьютеров. Или научило делать солнечные батареи, намного более эффективные, чем сейчас» [1].

Причуды квантовой механики. Проиллюстрировать загадочность и антиинтуитивность явлений квантового мира, где система пребывает в каждом из возможных состояний одновременно (с определенной вероятностью), может парадокс под названием «кот Шредингера». В отсутствии наблюдателя, радиоактивное ядро (рисунок сверху) описывается суперпозицией двух состояний: распавшегося и нераспавшегося. Значит ли это, что и детектор излучения, высвобождающий ядовитый газ, одновременно и убьет, и не убьет кота? Одна из версий квантовой механики — так называемая многомировая интерпретация — даже постулирует бесконечное «почкование» параллельных вселенных (рисунок снизу), в некоторых из которых кот умирает, тогда как в других — остается жить. Картинка: Википедия.
Из А в Б: наиболее эффективный путь

Ученым давно известно, что в фотосинтезе существуют какие-то квантовые хитрости — ведь световой поток, состоящий из хаотично движущихся фотонов, перестает быть беспорядочным после поглощения квантов света молекулами-«антеннами», в бесчисленном множестве расположенными в фотосинтетических мембранах каждого зеленого листа и в бактериях, способных использовать световую энергию. Теперь поток энергии имеет строгую ориентацию — на реакционные центры, что позволяет эффективно запасать ее, конвертируя углекислый газ воздуха в сахарá.

Ещё с 1930-х годов было понятно, что такой перенос энергии следует описывать с помощью квантовой механики, одно из главных положений которой гласит, что элементарные частицы — такие, как электроны, — обладают одновременно и свойствами волны. Фотоны, поглощающиеся молекулами хлорофилла, исполняющего роль «антенн», порождают всплески возбуждения, передающиеся в виде квазичастиц экситонов, которые путешествуют в фотосинтетической мембране от одной «антенны» к другой, пока не попадут в реакционный центр, использующий их энергию по назначению. Но случайны ли их блуждания, как предполагалось ранее? Некоторые исследователи полагают, что экситоны могут быть когерентны в квантовом смысле, и тогда возбуждение можно представить в виде волны, которая сама находит оптимальный путь к реакционному центру. Другими словами, экситоны одновременно исследуют все возможные пути к реакционному центру, автоматически останавливаясь на самом эффективном.

Несколько лет назад были получены первые подтверждения этой гипотезы — две группы ученых в Беркли (Калифорния, США) с использованием лазерной техники показали наличие когерентности экситонов в фотосинтетических мембранах бактерий, хоть их и пришлось охладить для этого до температуры жидких газов [2, 3]. Впрочем, не заставляя никого долго ждать, в 2010 году эти же исследователи продемонстрировали тот же результат уже при комнатной температуре [4], окончательно подтвердив, что когерентность — это не лабораторный артефакт, а реально используемое природой явление. Чуть позже когерентность фотосинтетических мембран нашли уже не у бактерий, а у водорослей.

Однако каким же образом квантовая когерентность не разрушается при температурах, столь далеких от абсолютного нуля и условиях, ничуть не напоминающих вакуум? Физикам-экспериментаторам еще ни разу не удалось сконструировать квантовую систему, существующую в столь приближенных к «нормальным» условиях. Расчеты, проведенные Ллойдом и его коллегами, показали достаточно неожиданную вещь: «шум» окружения (являющийся следствием высокой температуры и общей подвижности системы) скорее увеличивает эффективность энергопереноса, чем снижает ее [5]. «Подвижное окружение способствует дальнейшей передаче экситонов, не давая им застрять в чаще фотосинтетических антенн», — поясняет результаты расчетов Ллойд.

Фотосинтез — не единственный пример «макроскопического» процесса, где мир квантовой механики дает о себе знать. Многие ферментативные реакции осуществляются при помощи туннелирования, когда частица «просачивается» под энергетическим барьером вместо того, чтобы «штурмовать» его. А одна из дискуссионных теорий обоняния даже утверждает, запах — это чувствительность к молекулярным вибрациям, возникающим при туннелировании между молекулой этого запаха и обонятельным рецептором [6].
Компас птичьего полета

Не менее удивительное объяснение с помощью квантовых феноменов недавно получила издавна удивлявшая людей способность перелетных птиц ориентироваться в сторонах света, каким-то образом определяя направление линий магнитного поля Земли.

Уже известно, что действие этого «компаса» начинается с поглощения света сетчаткой птичьего глаза. По-видимому, за поглощением фотонов следует образование пары свободных радикалов — реакционноспособных молекул, несущих каждая по неспаренному электрону. Каждый из этих электронов обладает собственным магнитным моментом (спином), способным улавливать внешнее магнитное поле. По мере отдаления радикалов друг от друга, спин одного из них остается главным образом под действием близлежащего атомного ядра, а спин другого — «свободного» — ориентируется в поле Земли [7]. Эта разница магнитных полей способна переводить радикалы в различные энергетические состояния, отличающиеся в том числе и химическими свойствами.

Как согреть руки у огня? В светособирающих комплексах (ССК) — «антеннах» фотосинтеза — сосредоточено до 90% всего хлорофилла. Квантовая когерентность экситонов, обеспечивающих передачу энергии к реакционным центрам, принципиально повышает эффективность процесса фотосинтеза. Скульптура ССК: © Julian Voss-Andreae, 2003 (см. также «Изваяние невидимого»).

Основная гипотеза заключается в том, что какое-то соединение синтезируется при определенном расположении относительно линий поля, и не синтезируется — при другом. Различие концентраций, таким образом, отражает ориентацию магнитного поля Земли. Это предположение было проверено на искусственной фотохимической реакции с использованием магнитных полей, которые влияли на время жизни пары радикалов [8]. Было высказано предположение, что два неспаренных электрона в этой паре, порожденные поглощением одного фотона, пребывают в состоянии квантовой сцепленности (или запутанности), при котором спины двух частиц остаются взаимосвязанными, какое бы расстояние не разделяло эти частицы. Квантовая сцепленность — чрезвычайно «капризное» состояние, очень легко разрушаемое любыми воздействиями извне, особенно при температурах, существенно превышающих абсолютный ноль. Однако расчеты показали, что в птичьем «компасе» этот феномен может оставаться устойчивым десятки микросекунд, что намного дольше того, что удается получить в лаборатории при аналогичной температуре [9].

Не исключено, что это «квантовое магнитное чувство» распространено и за пределами перелетных птиц, — ведь и у некоторых насекомых и растений также наблюдается магнитная чувствительность. Однако чтобы добыть доказательство тому, необходимо понять, какие именно молекулы участвуют в этом процессе и тщательно изучить их свойства в лаборатории.
А толку что?

Фотосинтезирующие организмы, несомненно, получают выгоду от квантовой когерентности в своих фотосистемах. Однако появилась ли способность использовать это явление в результате естественного отбора или же зафиксировалась случайно, как побочный эффект плотной упаковки антенных молекул? Точно это еще предстоит выяснить, но даже если речь идет о втором варианте, последствия «приручения» квантовой когерентности огромны: это позволяет эффективно концентрировать энергию солнца в направлении реакционных центров, не требуя при этом высокой упорядоченности передающей среды (антенного комплекса) и не завися от температуры.

Понимание того, как светособирающие комплексы достигают квантовой когерентности при комнатной температуре, может отразиться на судьбе всего человечества. Ни у кого не вызывает сомнения, что когда-нибудь неизбежно придется отказаться от сжигания минерального топлива и перейти к массовому использованию альтернативных источников энергии. Солнечный свет — самая заметная «дармовая» энергия на Земле, но человечество пока не научилось ее эффективно эксплуатировать. Существующие солнечные элементы слишком малоэффективны и слишком дороги, чтобы обеспечивать хоть сколько-нибудь заметный вклад в глобальную выработку энергии даже в отдаленной перспективе. Если же человек сумеет «приручить» квантовую когерентность, новое поколение фотонных систем (например, с антеннами на основе квантовых точек) станет основой электроэнергетики будущего.

В наши дни облик квантового компьютера максимально далек от его персонального «собрата». Лабораторные реализации квантовых компьютеров, решающих пока только очень экзотические и далекие от практики задачи, состоят из вакуумной техники, лазеров, установок сверхнизких температур и тому подобного. Картинка: Science @ Berkley.

Еще одной заманчивой перспективой являются квантовые вычисления. Давней мечтой физиков и инженеров является способность манипуляции данными, закодированными в квантовых битах (кубитах), являющихся, например, спиновым состоянием («вверх» / «вниз») электрона или атомного ядра. Вся экзотика квантовых вычислений в том, что кубиты одновременно принимают значения 0 и 1 (с определенной вероятностью). Если кубиты квантового компьютера, запрограммированные на квантовый алгоритм, «запутать» между собой, то, измерив состояние системы, мы мгновенно получим решение интересующей задачи [10–12]. Проблема, однако, заключается в том, что квантовые состояния очень «хрупкие», и когерентность между даже всего двумя (!) кубитами не удается удержать дольше, чем в течение мизерных долей секунды. На данный момент квантовые алгоритмы на практике применяются лишь для таких сравнительно скромных задач как генератор случайных чисел или распределитель секретного ключа (в криптографии).

Однако, как мы уже убедились, биология обошла это препятствие: фотосинтетическая антенна является, по сути, квантовым компьютером, вычисляющим оптимальный путь передачи энергии до реакционного центра, причем — вычисляющим динамически. То же самое и с «квантовым компасом» птиц: если в деталях разобраться с тем, как работают эти системы, и квантовые компьютеры станут чем-то большим, чем просто зыбкими миражами за толстыми лабораторными стеклами.

Природа — лучший учитель, и этот тезис стар, как мир. Только никому еще не приходило в голову, что природа сможет показать нам, как устроено загадочное квантовое «царство».

Написано по материалам эссе Филипа Болла [1].

источник:
biomolecula.ru/content/889