پیش از این تصور می شد ابزارهای محاسبات کوانتومی را باید در دماهای بسیار سرد نگهداری کرد، اما با کشف انجام محاسبات کوانتومی در جلبک ها، دست یابی به رایانه های کوانتومی در دمای اتاق امکان پذیر شده است.

محمود حاج زمان: فیزیکدانان مجبورند برای استفاده از رایانه های کوانتومی، آنها در دماهای فوق سرد نگاه دارند، اکنون گروهی از پژوهشگران می گویند جلبک های متواضع و باکتری ها، احتمالا میلیون ها سال است که مشغول انجام محاسبات کوانتومی در درجه حرارت های معمول زندگی هستند.

یافته های جدید مربوط به مطالعات انجام شده درباره نحوه انتقال انرژی در مولکول هایی است که در فرایند فتوسنتز مشارکت دارند. پژوهشگران اعتقاد دارند مولکول های موجود در نوعی جلبک دریایی از فرایندهای کوانتومی استفاده می کنند تا انرژی را بدون هیچ اتلافی در دمای اتاق انتقال دهند. از نظر فیزیکدانان چنین چیزی غیرممکن بود، چرا که به نظر می رسید انجام این فرایند برای مدت طولانی در چنین دمایی، نمی تواند نتایج قابل استفاده ای را به دنبال داشته باشد.

به گزارش نیوساینتیست، فرایند فتوسنتز هنگامی آغاز می شود که ساختارهای غذاساز نوری گیاهان که گیرنده (Antenna) نامیده می شوند، فوتون های نور را دریافت می کنند. نوعی جلبک به نام کرونوماس (Chroomonas CCMP۲۷۰) وجود دارد که گیرنده های آن از هشت مولکول رنگدانه تشکیل شده که در یک ساختار پروتئینی بزرگ تر قرار دارند. رنگدانه های مختلف این گیرنده ها طول موج های مختلف طیف نور را جذب می کنند. انرژی فوتون ها سپس از طریق گیرنده ها به بخشی از سلول منتقل می شود که وظیفه تولید غذای گیاه را برعهده دارد.

مسیری که انرژی از طریق آن از میان این مولکول های بزرگ منتقل می شود، بسیار مهم است. مسافت طولانی تر می تواند منجر به اتلاف انرژی شود. بر طبق قوانین فیزیک کلاسیک، انتخاب مسیر انرژی از میان مولکول ها به طور تصادفی صورت می پذیرد. به گفته گرگوری اسکولز از دانشگاه تورنتو کانادا، طبق نظریه انتقال انرژی متداول، انتقال انرژی از مولکولی به مولکول دیگر در یک مسیر کاملا تصادفی انجام می شود.

اما اسکولز و همکارانش یک مکانیزم مسیریابی انرژی را کشف کرده اند که در عمل دارای راندمان بسیار بالایی است. این مکانیزم ناشی از رفتار مولکول های رنگدانه واقع در مرکز گیرنده های کرومناس است. این گروه در تحقیقات خود دو عدد از این مولکول ها را توسط یک پالس کوتا ه لیزر تحریک کرد. این کار باعث پرش الکترون های موجود در مولکول های رنگدانه، به یک برهم نهی کوانتومی متناظر با وضعیت تحریک می شود. هتگامی که این برهم نهی از بین می رود، الکترون ها فوتون هایی با طول موج اندکی متفاوت تابش می کند که با هم ترکیب و یک الگوی تداخلی را شکل می دهد. با مطالعه این الگو در نور تابش شده، گروه توانستند جزئیات برهم نهی کوانتومی ایجاد کننده آن را استخراج کنند.

● چسبیدگی کوانتومی

نتایج کار شگفت آور بود. علاوه بر دو مولکول رنگدانه اصلی که در برهم نهی درگیر بودند، شش مولکول رنگدانه دیگر نیز در این فرایند مشارکت داشتند. این چسبیدگی کوانتومی (Quantum Coherence) مولکول های رنگدانه را به مدت ۴۰۰ فمتوثانیه (هر فمتو برابر ۱۰ به توان منفی ۱۵ است؛ به عبارت دیگر، یک میلیون میلیارد فمتوثانیه برابر یک ثانیه است) به یکدیگر می چسباند. اگرچه این زمان بسیار کوتاه به نظر می رسد، اما برای انرژی فوتون جذب شده به اندازه کافی طولانی است تا به طور همزمان، تمام مسیرهای ممکن را در طول گیرنده آزمایش کند. وقتی که این ارتباط مشترک بین مولکول های رنگدانه به پایان می رسد، انرژی در مسیری قرار می گیرد که به آن اجازه می دهد تا بدون اتلاف منتقل شود.

این کشف برخی از باورهای قدیمی درباره مکانیک کوانتومی را با تردید روبرو می کند. بر طبق این باورها چسبیدگی کوانتومی نمی تواند جز در دماهای فوق سرد رخ دهد، زیرا یک محیط گرم باعث تخریب این اثر می شود. با این وجود، جلبک کرومناس این کار را در دمای ۲۱ درجه سانتی گراد یا ۲۹۴ کلوین انجام می دهد.

به گفته گرگوری انگل از دانشگاه شیکاگو، کارهای اسکولز خارق العاده است. وی می گوید: «انجام چنین آزمایش هایی فوق العاده سخت است.» انگل تحقیقاتی را در سال ۲۰۰۷ / ۱۳۸۶ در دانشگاه برکلی انجام داد که منجر به نتایج تقریبا مشابهی شده بود، اما وی در دمای منفی ۱۹۶ درجه سانتی گراد کار کرده بود.

اسکولز و همکارانش یک باکتروکلروفیل پیچیده یافته شده در باکتری گوگرد سبز را نیز مورد آزمایش قرار دادند. آنها کشف کردند که مولکول های رنگدانه این باکتروکلروفیل نیز به طور مشابه، در یک شبکه کوانتومی با یکدیگر مرتبط هستند. آزمایش های آنها نشان داد که برهم نهی کوانتومی اجازه می دهد انرژی تمام مسیرهای ممکن را بررسی کند و پربازده ترین مسیر را انتخاب کند. به گفته اسکولز گیرنده یک محاسبه کوانتومی را انجام می دهد تا بهترین راه انتقال انرژی تعیین کند.

انگل و همکارانش در شیکاگو، آزمایش ها را در دمای ۴ درجه سانتی گراد تکرار کردند. آنها طول زمان چسبیدگی کوانتومی را حدود ۳۰۰ فمتو ثانیه به دست آوردند.

الکساندرا اولایا کاسترو از دانشگاه لندن که با اسکولز در درک این مکانیزم همکاری کرده است، می گوید: «این که این مولکول ها چطور در چنین دمایی و با وجود فاصله نسبتا زیاد بینشان، برای چنین مدت طولانی به یکدیگر چسبیده باقی می مانند، هنوز یک راز است.» وی اعتقاد دارد که ساختار پروتئین گیرنده نقش اساسی را ایفا می کند. از نظر وی چسبیدگی بدون وجود این ساختار نمی تواند دوام داشته باشد.

دانشمندان امیدوارند با استفاده از این چسبیدگی کوانتومی بتواند راندمان سلول های خورشیدی را افزایش دهند. این کشف تصور ما را درباره فوتوسنتز و محاسبات کوانتومی تغییر خواهد داد. به گفته انگل این یک دست آورد بزرگ است.