کشف سبزترین رایانه‌های کوانتومی

محمود حاج‌زمان: فیزیکدانان مجبورند برای استفاده از رایانه‌های کوانتومی، آنها در دماهای فوق سرد نگاه دارند، اکنون گروهی از پژوهشگران می‌گویند جلبک‌های متواضع و باکتری‌ها، احتمالا میلیون‌ها سال است که مشغول انجام محاسبات کوانتومی در درجه حرارت‌های معمول زندگی هستند.

یافته‌های جدید مربوط به مطالعات انجام شده درباره نحوه انتقال انرژی در مولکول‌هایی است که در فرایند فتوسنتز مشارکت دارند. پژوهشگران اعتقاد دارند مولکول‌های موجود در نوعی جلبک دریایی از فرایندهای کوانتومی استفاده می‌کنند تا انرژی را بدون هیچ اتلافی در دمای اتاق انتقال دهند. از نظر فیزیکدانان چنین چیزی غیرممکن بود، چرا که به‌نظر می‌رسید انجام این فرایند برای مدت طولانی در چنین دمایی، نمی‌تواند نتایج قابل استفاده‌ای را به دنبال داشته باشد.

به گزارش نیوساینتیست، فرایند فتوسنتز هنگامی آغاز می‌شود که ساختارهای غذاساز نوری گیاهان که گیرنده (Antenna) نامیده می‌شوند، فوتون‌های نور را دریافت می‌کنند. نوعی جلبک به نام کرونوماس (Chroomonas CCMP270) وجود دارد که گیرنده‌های آن از هشت مولکول رنگدانه تشکیل شده که در یک ساختار پروتئینی بزرگ‌تر قرار دارند. رنگدانه‌های مختلف این گیرنده‌ها طول‌موج‌های مختلف طیف نور را جذب می‌کنند. انرژی فوتون‌ها سپس از طریق گیرنده‌ها به بخشی از سلول منتقل می‌شود که وظیفه تولید غذای گیاه را برعهده دارد.

مسیری که انرژی از طریق آن از میان این مولکول‌های بزرگ منتقل می‌شود، بسیار مهم است. مسافت طولانی‌تر می‌تواند منجر به اتلاف انرژی شود. بر طبق قوانین فیزیک کلاسیک، انتخاب مسیر انرژی از میان مولکول‌ها به طور تصادفی صورت می‌پذیرد. 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 می‌شود.

اما اسکولز و همکارانش یک مکانیزم مسیریابی انرژی را کشف کرده‌اند که در عمل دارای راندمان بسیار بالایی است. این مکانیزم ناشی از رفتار مولکول‌های رنگدانه واقع در مرکز گیرنده‌های کرومناس است. این گروه در تحقیقات خود دو عدد از این مولکول‌ها را توسط یک پالس کوتا‌ه لیزر تحریک کرد. این کار باعث پرش الکترون‌های موجود در مولکول‌های رنگدانه، به یک برهم‌نهی کوانتومی متناظر با وضعیت تحریک می‌شود. هتگامی که این برهم‌نهی از بین می‌رود، الکترون‌ها فوتون‌هایی با طول‌موج اندکی متفاوت تابش می‌کند که با هم ترکیب و یک الگوی تداخلی را شکل می‌دهد. با مطالعه این الگو در نور تابش شده، گروه توانستند جزئیات برهم‌نهی کوانتومی ایجاد کننده آن را استخراج کنند.

چسبیدگی کوانتومی
نتایج کار شگفت‌آور بود. علاوه بر دو مولکول رنگدانه اصلی که در برهم‌نهی درگیر بودند، شش مولکول رنگدانه دیگر نیز در این فرایند مشارکت داشتند. این چسبیدگی کوانتومی (Quantum Coherence) مولکول‌های رنگدانه را به مدت 400 فمتوثانیه (هر فمتو برابر 10 به توان منفی 15 است؛ به عبارت دیگر، یک میلیون میلیارد فمتوثانیه برابر یک ثانیه است) به یکدیگر می‌چسباند. اگرچه این زمان بسیار کوتاه به نظر می‌رسد، 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 مولکول‌های رنگدانه به پایان می‌رسد، انرژی در مسیری قرار می‌گیرد که به آن اجازه می‌دهد تا بدون اتلاف منتقل شود.

این کشف برخی از باورهای قدیمی درباره مکانیک کوانتومی را با تردید روبرو می‌کند. بر طبق این باورها چسبیدگی کوانتومی نمی‌تواند جز در دماهای فوق‌سرد رخ دهد، زیرا یک محیط گرم باعث تخریب این اثر می‌شود. با این وجود، جلبک کرومناس این کار را در دمای 21 درجه سانتی‌گراد یا 294 کلوین انجام می‌دهد.

به گفته گرگوری انگل از دانشگاه شیکاگو، کارهای اسکولز خارق‌العاده است. وی می‌گوید: «انجام چنین آزمایش‌هایی فوق‌العاده سخت است.» انگل تحقیقاتی را در سال 2007 / 1386 در دانشگاه برکلی انجام داد که منجر به نتایج تقریبا مشابهی شده بود، اما وی در دمای منفی 196 درجه سانتی‌گراد 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 مولکول‌های رنگدانه این باکتروکلروفیل نیز به طور مشابه، در یک شبکه کوانتومی با یکدیگر مرتبط هستند. آزمایش‌های آنها نشان داد که برهم‌نهی کوانتومی اجازه می‌دهد انرژی تمام مسیرهای ممکن را بررسی کند و پربازده‌ترین مسیر را انتخاب کند. به گفته اسکولز گیرنده یک محاسبه کوانتومی را انجام می‌دهد تا بهترین راه انتقال انرژی تعیین کند.

انگل و همکارانش در شیکاگو، آزمایش‌ها را در دمای 4 درجه سانتی‌گراد تکرار کردند. آنها طول زمان چسبیدگی کوانتومی را حدود 300 فمتو ثانیه به دست آوردند.

الکساندرا اولایا کاسترو از دانشگاه لندن که با اسکولز در درک این مکانیزم همکاری کرده‌است، می‌گوید: «این‌که این مولکول‌ها چطور در چنین دمایی و با وجود فاصله نسبتا زیاد بینشان، برای چنین مدت طولانی به یکدیگر چسبیده باقی می‌مانند، هنوز یک راز است.» وی اعتقاد دارد که ساختار پروتئین گیرنده نقش اساسی را ایفا می‌کند. از نظر وی چسبیدگی بدون وجود این ساختار نمی‌تواند دوام داشته باشد.

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