Aplicaciones biológicas de la física cuántica

Los estudios anteriores del proyecto PAPETS sobre estos fenómenos biológicos, principalmente la fotosíntesis y el olfato, han contribuido a estos descubrimientos recientes

Los beneficios de los efectos cuánticos para las redes biológicas, sociales y tecnológicas

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La eficiencia de los procesos biomoleculares de la naturaleza, como la fotosíntesis, no puede explicarse totalmente mediante las teorías convencionales. El proyecto PAPETS, financiado con fondos europeos, investigó los efectos cuánticos para comprender mejor estos procesos, lo cual llevó recientemente a una nueva percepción de las posibilidades de la computación cuántica.

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© Athitat Shinagowin, Shutterstock
© Athitat Shinagowin, Shutterstock

Cordis / Hasta hace relativamente poco, se pensaba que el comportamiento extraño de las entidades que rige la física cuántica, se manifestaba principalmente a escala submicroscópica. Sin embargo, durante los últimos años, se han formulado preguntas sobre el papel del comportamiento cuántico en procesos biológicos macroscópicos más cotidianos. Los estudios anteriores del proyecto PAPETS, financiado con fondos europeos, sobre estos fenómenos biológicos, principalmente la fotosíntesis y el olfato, han contribuido a estos descubrimientos recientes.

Dos efectos cuánticos podrían explicar procesos biológicos que han intrigado un poco a los investigadores, en concreto: la capacidad de existir en varios lugares simultáneamente (superposición), junto con la capacidad de desaparecer de forma instantánea y volver a aparecer en un lugar completamente diferente.

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El laberinto cuántico

Los investigadores, que aprovecharon el trabajo llevado a cabo en el marco del proyecto PAPETS, explican en la revista Physical Review Letters cómo recientemente consiguieron aplicar la temporalidad para tareas de computación cuántica llevadas a cabo sobre redes aleatorias dinámicas. Con el fin de 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.

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 redes que sobrepasan un determinado umbral de conectividad nodal. Sin embargo, también descubrieron que, por debajo de este umbral de conexión, la ventaja cuántica ya no se mantenía.

En el estudio, los investigadores aleatorizaron continuamente la disposición real de la red, variando también el número de conexiones y manteniendo constante el número de nodos. Descubrieron que, independientemente del nivel de conectividad, el algoritmo de búsqueda cuántica siempre encontró, lo que ellos denominan, «una frecuencia» para generar nuevas disposiciones de red, con el fin de encontrar el nodo marcado. Curiosamente, el equipo descubrió que incluso cuando imponían una polarización que daba lugar a una conectividad muy baja de los nodos, con muchos nodos aislados del resto de la red, el algoritmo creaba nuevas disposiciones de red a un ritmo más rápido para compensar.

Los resultados de los investigadores contradijeron las expectativas de que, al intentar encontrar un nodo marcado en una red, ya fuera social, natural o tecnológica, el algoritmo de búsqueda cuántico tendría problemas con la naturaleza cambiante de la red (perdiendo y ganando enlaces con el tiempo). De hecho, demuestran que esta característica temporal puede utilizarse como un control del rendimiento del cálculo. Si bien el equipo anticipa que su trabajo beneficiará a las tecnologías de la información cuántica, para la comunicación y el cálculo, este también contribuye a comprender procesos biológicos.

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Cuando los efectos cuánticos se combinan con la biología

Si bien el equipo anticipa que su trabajo beneficiará a las tecnologías de la información cuántica, este también contribuye a comprender procesos biológicos

El proyecto PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) ya ha concluido. Se puso en marcha para investigar cómo la dinámica electrónica y vibracional, en particular los mecanismos asistidos por fonones, desempeñan un papel clave en la estructura y el funcionamiento de los sistemas biomoleculares. El proyecto examinó el papel que podrían desempeñar los efectos cuánticos en el hecho de que la fotosíntesis de las plantas sea tan eficaz permitiendo que la energía que transportan los excitones busque simultáneamente distintas vías en la hoja y encuentre la más eficaz hacia las moléculas diana de la energía. Los resultados contribuyen a los esfuerzos para diseñar unas mejores celdas fotovoltaicas.

Además, el estudio analizó la forma en que los efectos cuánticos podrían ayudar a que la capacidad olfativa reconozca olores a partir de moléculas a través de un proceso denominado «túnel cuántico», que ayuda a que una molécula olfativa se una a un receptor. Este conocimiento permitiría desarrollar tecnologías para percibir olores que, por ejemplo, pudieran detectar peligros en los alimentos o el agua.

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Fuente: 

Basado en información del proyecto y en artículos aparecidos en medios de comunicación

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