La conexión entre la fotosíntesis y los algoritmos cuánticos

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¿Qué tienen que ver la fotosíntesis de las plantas y la computación cuántica? Hace ya un par de años que se descubrió que la fotosíntesis logra una eficacia de más del 95% gracias a utilizar un algoritmo de búsqueda cuántico para canalizar la energía. Mientras los físicos se afanan en lograr fabricar el primer ordenador cuántico práctico luchando contra la decoherencia, la Naturaleza, como siempre, muy por delante. ¿Podremos algún día desarrollar una tecnología energética renovable que imite la fontosíntesis de las plantas? Sorprendentemente, para ello necesitamos dominar la computación cuántica. El trabajo de investigación fue desarrollado por el químico teórico Graham Fleming de la University of California at Berkeley y sus colaboradores y nos lo contó, como no, Philip Ball, “Photosynthesis works ‘by quantum computing’,” Chemistry World, May, 2007 . La figura está extraída de “Quantum Secrets Of Photosynthesis Revealed,” Science News, ScienceDaily, Apr. 12, 2007 . También son buenas lecturas Roseanne J. Sension, “Biophysics: Quantum path to photosynthesis,” News and Views, Nature 446: 740-741, 12 April 2007 , y el artículo técnico original Gregory S. Engel et al. “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems,” Nature 446: 782-786, 12 April 2007 . La idea de que la fotosíntesis opera utilizando la computación cuántica es mucho más antigua (Scott M. Hitchcock, “‘Photosynthetic’ Quantum Computers?,” ArXiv, Submitted on 20 Aug 2001 ).

Los investigadores estudiaron la fotosíntesis en la bacteria fototrópica verde del azufre (Chlorobium tepidum). La fotosíntesis se inicia cuando la luz incidente excita los electrones de los cromóforos (moléculas de pigmentos fotosensibles como la clorofila). Este nivel de energía alto desciende generando una onda encadenada (excitón) que lleva esta energía a través del cromóforo hasta alcanzar un centro químico activo donde queda atrapada y más tarde será utilizada para la fabricación de carbohidratos. El cromóforo actúa como una especie de “antena” para la luz. Los investigadores han utilizado espectroscopia bidimensional basada en la transformada de Fourier y han demostrado que la transferencia de energía dentro del cromóforo es coherente y dura muchísimo (cientos de femtosegundos). Es como sí la energía “visitara” simultáneamente varios caminos posibles y eligiera el óptimo para llegar al centro activo. El proceso es análogo al algoritmo cuántico de Grover, capaz de buscar un elemento en un vector de n componentes desordenadas en sólo \sqrt{n} de pasos. La limitación más importante del estudio es que se han estudiado los cromóforos a baja temperatura (77 Kelvin). Los autores suponen que el mismo mecanismo ocurre a temperatura ambiente (aunque demostrarlo experimentalmente es mucho más difícil).

Otros artículos sobre computación cuántica en este blog:

Lenguajes de alto nivel para la computación cuántica (o computación cuántica para informáticos) (Publicado por emulenews en Mayo 6, 2008)

Fabricado el primer circuito integrado cuántico aunque sólo de 2 cubits (Publicado el Marzo 12, 2009)


3 Comentarios

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ligero999ligero999

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Hector M

Hola,
Una duda: ¿Cómo es posible que algún proceso biológico en concreto, el de una planta, sea describible únicamente desde la cuántica y sin embargo, se insista que el cerebro es una material demasiado frío y húmedo para albergar procesos cuánticos tal como proponen Penrose o Hamerloff?

¿Este artículo, de ser demostrado como cierto, a propósito de los procesos cuánticos habidos en un proceso biológico no demostraria que son falsas o al menos discutibles las afirmaciones de que en un cerebro no se puede dar una computación cuántica?

Saludos y siento si mezclo temas

emulenewsemulenews

Hector M, no soy experto, pero la “biología cuántica” está en el borde entre la ciencia y la ciencia ficción (especulación).

Incluso en el caso de la fotosíntesis, donde sólo se estudia la interacción de un solo fotón con una macromolécula orgánica, aparentemente susceptible de efectos cuánticos localizados en la propia molécula, el proceso es discutible. El artículo se publicó en Nature, lo que no significa que quede avalado como “verdad científica.” La fusión fría se publicó en Science y todo el mundo cree que es un fiasco.

En el artículo se observa que el proceso de transferencia de energía en dicha molécula es más eficiente de lo que permitiría un modelo clásico, por lo que se alude (quizás sería mejor, se especula) con que intervienen procesos cuánticos. La búsqueda del camino más eficiente para la transferencia de energía requiere resolver un problema de optimización NP y se alude a que la solució a este problema “utiliza” un algoritmo cuántico. Todavía se entiende muy poco sobre la computación cuántica en macromoléculas. Pura especulación o pura ciencia, difícil saberlo.

El modelo para la consciencia de Penrose-Hamerloff (propuesto en líneas similares con anterioridad por otros autores, incluido Feynman) está basado en efectos cuánticos en los microtúbulos de carbono que forman la estructura o citoesqueleto que mantiene la rigidez de las células y neuronas.

Los microtúbulos que se pensaban que eran meros elementos estructurales, cada día se entienden como más importantes a la hora de generar las polaridades eléctricas que permiten la comunicación iónica entre neuronas (axones y dendritas). Sin embargo, las teorías actuales apoyan que una explicación clásica de su funcionamiento es suficiente para entender estos procesos. Los efectos cuánticos parecen ser despreciables. No soy experto. Un artículo interesante al respecto es el de revisión de Cecilia Conde, Alfredo Cáceres, “Microtubule assembly, organization and dynamics in axons and dendrites,” Nature Reviews Neuroscience 10: 319-332, 30 April 2009 .

Todavía no me he leído dicho artículo. Prometo una entrada al respecto en cuanto lo haya leído.

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