Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả

Trong khi các nhà vật lí đang vật lộn nhằm đạt tới máy tính lượng tử hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh, thì những nhà nghiên cứu khác nói rằng loài tảo khiêm nhường cùng vi khuẩn có lẽ đã và đang thực hiện các phép toán lượng tử ở những nhiệt độ thân thiện với cuộc sống trong hàng tỉ năm qua.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả Thiên nhiên vận dụng cơ học lượng tử rất hiệu quả Trong khi các nhà vật lí đang vật lộn nhằm đạt tới máy tính lượng tửhoạt động ở nhiệt độ đông lạnh, thì những nhà nghiên cứu khác nói rằng loàitảo khiêm nhường cùng vi khuẩn có lẽ đã và đang thực hiện các phép toánlượng tử ở những nhiệt độ thân thiện với cuộc sống trong hàng tỉ năm qua. Bằng chứng phát sinh từ một nghiên cứu cách thứcnăng lượng truyền trong các phân tử khai thác ánh sáng trong quá trình quanghợp. Nghiên cứu trên đã lên tới đỉnh điểm trong tuần này với việc công bố bấtthường rằng những phân tử này ở một loài tảo đại dương có thể khai thác các quátrình lượng tử ở nhiệt độ phòng để truyền năng lượng mà không bị thất thoát.Các nhà vật lí trước đây đã bác bỏ các quá trình lượng tử trên, cho rằng chúng không thể tồn tại đủ lâu ở những nhiệt độ nhưthế để thu được bất kì cái gì hữu ích. Sự quang hợp bắt đầu khi nhữngcấu trúc lớn khai thác ánh sáng gọi là anten bắt lấy các photon. Ở loài tảo tên gọilà Chroomonas CCMP270, những anten này có tám phân tử sắc tố dệt thành mộtcấu trúc protein lớn hơn, với những sắc tố khác nhau hấp thụ ánh sáng từ nhữngphần khác nhau của quang phổ. Năng lượng của các photon sau đó truyền quaanten đến một bộ phận của tế bào, nơi đó nó được dùng để sản xuất nhiên liệu hóahọc. Lộ trình năng lượng đi qua khi nó nhảy qua những phân tử lớnnày là quan trọng vì những hành trình dài hơn có thể dẫn đến thất thoát. Theo vậtlí cổ điển, năng lượng chỉ có thể tác dụng theo cách của nó trong các phân tử mộtcách ngẫu nhiên. “Lí thuyết truyền năng lượng bình thường cho chúng ta biếtrằng những bước nhảy năng lượng từ phân tử sang phân tử khác là một quá trìnhngẫu nhiên, giống như đường đi về nhà của một tên say rượu bước chân ra khỏi quán bar”, theo lời GregoryScholes tại trường Đại học Toronto, Canada, một trong các đồng tác giả của bài báođăng trên tạp chí Nature tuần này . Những Scholes và các đồng nghiệp của ông nhận thấy rằng cơ chế truyềnnăngcác phân tử sắc tố ở chính giữa của anten Chroomonas. Trước tiên, độinghiên cứu kích thích hai trong số những phân tử này vớimột xung laser ngắn, làm cho cácelectron trong các phân tử sắc tố nhảy vàomột sự chồng chất lượng tử của những trạng thái kích thích. Khi sự chồngchất này sụp đổ, nó phát ra các photon có bước sóng hơi khác kết hợp lạihình thành nên hình ảnh giao thoa. Bằng cách nghiên cứu mẫu giao thoa nàytrong ánh sáng phát ra, đội nghiên cứu có thể suy luận ra chi tiết sự chồng chấtlượng tử đã tạo ra nó. Các kết quả thật bất ngờ. Không những hai phân tử sắc tố ở chính giữaanten tham gia vào sự chồng chất; mà sáu phân tử sắc tố kia cũng thamgia. “Sự kết hợp lượng tử” này liên kết chúng lại với nhau trong chốc lát chừng400 femto giây (4 × 10- 13 giây). Nhưng thời gian này đủ lâu cho năng lượng từ photon bị hấp thụ tựphát “dò thử” mọi đường đi có thể có qua anten. Khi sự kết hợp chia sẻ kết thúc,năng lượng trên được đưa vào một đường đi, cho phép nó thực hiện cuộc hànhtrình mà không có thất thoát. Khám phá trên đã đánh đổ một số niềm tin lâu nayvề cơ học lượng tử, rằng sự kết hợp lượng tử không thể xảy ra ở đâu khác ngoàinhững nhiệt độ đông lại vì một môi trường nóng sẽ phá hủy hiệu ứng trên. Tuy nhiên, loài tảo Chroomonasthực hiện công việc của chúng ở 21 °C. “Công trình của Scholes thật kì lạ”, Gregory Engel tại trường Đại họcChicago nói. “Khó khăn của thí nghiệm này là rất lớn”. Engel đã chứng minhnguyên lí tương tự hồi năm 2007 tại trường Đại học California, Berkeley, mặc dù ởnhiệt độ rất thấp, -196 °C.Đội của ông đã khảo sát phức hợp vi khuẩn chlorophyll tìm thấy ở các vikhuẩn sulphur màu lục và phát hiện thấy các phân tử sắc tố cũng quấn lại với nhaunhư thế trong một mạng lưới cơ lượng tử. Thí nghiệm của ông chứng tỏ rằng sựchồng chất lượng tử cho phép năng lượng khảo sát mọi con đường đi có thể có vàchọn lấy con đường hiệu quả nhất . Xét theomột nghĩa nào đó, ông nói, anten trên thực hiệnmột phép toán lượng tử để tìm ra con đường truyền năng lượng tốtnhất. Engel và nhóm của ông tại Chicago vừa lặp lại thí nghiệm trên ở nhiệt độ4°C thân thiện với cuộc sống hơn. Họ nhận thấy thời gian tồn tại sự kết hợp làkhoảng 300 femto giây (arxiv.org/abs/1001.5108v1). Chính xác làm thế nàonhững phân tử này vẫn giữ được tính kết hợp lâu như thế, ở nhiệt độ cao như thếvà với khoảng trống tương đối lớn giữa chúng, là một bí ẩn, theo phát biểu củalexandra Olaya-Castro thuộc trường Đại họcCollege London, người đang hợp tácvới Scholes tìm hiểu những cơ chế nền tảng và áp dụng chúng cho mọi nơi. Bà tinrằng cấu trúc protein của anten giữ một vai trò thiết yếu. “Sự kết hợp sẽ khôngsống sót nếu như không có nó”, bà nói. Hi vọng rằng sự kết hợp lượng tử có thể dùng để sản xuất pin mặt trời hiệuquả hơn. Công trình trên đang sắ ...