Квантовая запутанность обернулась клеем для днк
Квантовая механика уже достаточно глубоко пробралась в смежные научные области. В попытке растолковать в терминах квантовой теории саму жизнь она кроме того породила собственную биологию.
Но до сих пор никто не решался прямо утверждать, что эффект запутанности лежит в самой сердцевине живых существ – в спирали ДНК.
Новорождённая квантовая биология (quantum biology) официально не признана научной дисциплиной. Но она уже превратилась в одну из самых занимательных и захватывающих тем передовых изучений.
К примеру, раскрывающих ключевую роль квантовых эффектов в ряде биологических процессов, как в фотосинтезе.
Новое изучение совершила несколько физиков из Национального университета Сингапура (NSU). Элизабет Рипер (Elizabet Rieper) и её сотрудники исходили из того, что двойная спираль ДНК не распадается как раз благодаря принципу квантовой запутанности (сцепленности).
Оказывается и такое привычное всем явление, как навигация у птиц, описывается законами квантовой механики: свежая статья греческих учёных, исследующая эту возможность, выложена в открытый доступ на сайте ArXiv.org (Emily Fox/Deviantart.com).
Дабы проверить собственную храбрую теорию, учёные выстроили упрощённую теоретическую модель ДНК на компьютере. В ней любой нуклеотид складывается из облака электронов около центрального положительно заряженного ядра.
Это «негативное» облако может двигаться относительно ядра, создавая диполь. Наряду с этим смещение облака в том направлении и обратно ведет к образованию гармонического осциллятора.
Ещё одна упрощённая иллюстрация принципа квантовой сцепленности.
Условные кубики, находящиеся в таковой связи, при одновременном броске выдавали бы однообразные, но наряду с этим, без сомнений, случайные значения (иллюстрация A. Franzen, Albert Einstein Institute).
Рипер с сотрудниками заинтересовались, что же случится с колебаниями туч (фононами), в то время, когда пары оснований создадут двойную спираль ДНК. Согласно точки зрения учёных, при формировании пар нуклеотидов их объединённые тучи теоретически должны колебаться в противоположном направлении с облаком от соседней пары, дабы обеспечить стабильность всей структуры.
Потому, что фононы по сути являются квантовыми объектами, они смогут существовать в виде суперпозиции состояний и могут «запутываться». Учёные начали с того, что предположили отсутствие любых тепловых эффектов, воздействующих на спираль извне. «Разумеется, что цепочки попарно связанных гармонических осцилляторов смогут быть запутаны только при нулевой температуре», – говорит Рипер.
На рисунке изображён эскиз базисной пары нуклеотидов ДНК.
Положительно заряженное ядро обозначено красным, отрицательное внешнее электронное облако – светло синий-жёлтым. В положении равновесия центр обеих частей сходится, так что никакого постоянного диполя не образуется (иллюстрация Rieper et al.).
В собственной до тех пор пока неизданной научными изданиями статье физики приводят подтверждение, что эффект запутывания в принципе, может появиться и при комнатной температуре.
А вероятно это вследствие того что протяженность волны у обрисованных фононов близка к размерам спирали ДНК. Это разрешает формироваться так называемым стоячим волнам (феномен, известный как фононный захват).
Затем фононы не смогут «сбежать».
Этот эффект не будет иметь особого значения для огромной молекулы, в случае если лишь он не распространяется на всю спираль. Но компьютерное моделирование, совершённое Рипер со товарищи, демонстрирует – эффект и в самом деле велик.
Каждое электронное облако в паре оснований не просто колеблется согласованно с перемещениями соседей — фононы наряду с этим будут в суперпозиции состояний. А неспециализированная картина всех таких колебаний в ДНК описывается квантовыми законами: на протяжении всей цепочки нуклеотиды-осцилляторы колеблются синхронно – это проявление квантовой сцепленности.
Общее же перемещение спирали оказывается равным нулю.
Модель спирали ДНК, на которой увеличен фрагмент с двумя соседними парами оснований.
Синим выделены электронные тучи в двух крайних позициях собственных колебаний, направления которых отмечают стрелки (иллюстрация Rieper et al.).
В случае если пробовать обрисовать эту модель только в рамках классической физики, то ничего из перечисленного случиться не сможет: «хорошая» спираль обязана хаотично вибрировать и распадаться на части.
Согласно мнению ученых, как раз квантовые эффекты важны за «склеивание» ДНК. Но, как и при с теорией космической ряби – амбициозной «сестрой-близнецом» нынешней работы (действительно, занятой объектами макромира), – основной вопрос не уникален: как данный вывод доказать?
Ответа до тех пор пока нет. Команда Рипер в конце собственной статьи интригует мыслью о том, что запутывание каким-то образом напрямую воздействует на метод «считывания» информации из ДНК. Мол, в будущем это удастся проверить и применять экспериментально.
Как как раз – до тех пор пока никто кроме того не предполагает.
Не обращая внимания на некую долю спекулятивности, выдвинутое физиками предположение взбудоражило многие умы. Так как квантовые эффекты уже обнаружили в самых неожиданных местах, к примеру в электрической цепи, но покамест никто не замахивался на претензии для того чтобы масштаба – микроскопического и одновременно с этим поразительно серьёзного.
В свете изложенного тратящий массу сил на запутывание нескольких кубитов в жёстком теле человек выглядит забавно, потому, что не подозревает, что самым хорошим примером таковой совокупности есть он сам.
