La recolección de luz cuántica sugiere una forma completamente nueva de computación

Los físicos saben desde hace mucho tiempo que las plantas y las bacterias convierten la luz en energía química de una manera enormemente eficiente. Pero solo en los últimos años han descubierto que las máquinas moleculares detrás de este proceso se basan en la mecánica cuántica para hacer el trabajo.

Eso es una gran sorpresa debido a las temperaturas involucradas. Los estados cuánticos son muy frágiles: estornudan y desaparecen en una bocanada de humo. Los físicos pueden mantener estos estados durante algún tiempo en ambientes cuidadosamente controlados a baja temperatura, pero nadie puede explicar cómo puede ser posible en los ambientes cálidos y húmedos dentro de los seres vivos.

Hoy, Gabor Vattay de la Universidad de Eotvos en Budapest y Stuart Kauffman de la Universidad de Vermont en Burlington tienen la respuesta. Dicen que los procesos detrás de la recolección de luz son una mezcla especial de lo cuántico y lo clásico. Y que esta delicada mezcla representa una forma completamente nueva de computación que la naturaleza también podría explotar en otros sistemas.

Los procesos cuánticos que deben estudiarse en los sistemas de recolección de luz ocurren en una estructura conocida como el complejo Fenna-Matthews-Olson o FMO, una enorme proteína de pigmento que forma parte de la maquinaria de recolección de luz en las bacterias verdes del azufre. Incrustados en estas estructuras de proteínas hay centros de reacción que convierten la energía de la luz en energía química.

Cuando la luz incide en el complejo FMO, la energía debe viajar a través de la matriz proteica hasta llegar a un centro de reacción. Y sorprendentemente, esta transferencia se produce con una eficiencia de casi el 100 por ciento.

Eso es desconcertante porque la única forma de que la energía de la luz encuentre un centro de reacción es rebotar a través de la red de proteínas al azar, como una bola de billar que rebota. Este proceso tomaría demasiado tiempo, mucho más que el nanosegundo que tarda la energía de la luz en disiparse en el medio ambiente y perderse.

Por tanto, el proceso de transferencia de energía no puede producirse clásicamente de esta forma. En cambio, los físicos han reunido una variedad de pruebas que muestran que la transferencia de energía es un proceso cuántico.

El pensamiento es así. Debido a que la energía puede existir en una superposición de estados, puede viajar por una variedad de rutas alrededor de la red al mismo tiempo. Y cuando encuentra el destino correcto, la superposición colapsa, dejando la energía en el centro de reacción. El resultado es una transferencia de energía casi perfecta.

Pero Vattay y Kauffman dicen que este tipo de proceso cuántico puro tampoco puede ser responsable. Eso se debe a que varios procesos cuánticos ralentizan el movimiento de los objetos cuánticos a través de redes aleatorias como esta. La mecánica cuántica también tiene efectos adversos, dicen.

Uno de estos aguafiestas se conoce como localización de Anderson, un fenómeno que evita la propagación de estados cuánticos en medios aleatorios. Debido a que el estado cuántico actúa como una onda, es vulnerable a los efectos de interferencia, que evitan que se propague en una red aleatoria.

Otro es el efecto zeno cuántico, el fenómeno paradójico en el que un estado inestable nunca cambia si se observa continuamente. Eso es porque mirar implica una serie de medidas que constantemente empujan al estado, evitando que colapse. Ésta es la versión cuántica del efecto de olla de observación nunca hierve.

Algo similar sucede con el estado cuántico de la energía durante la captación de luz. Este estado cuántico interactuará inevitablemente con el medio ambiente, pero estas interacciones actúan como medidas. Esto desencadena un efecto cuántico parecido al zeno que evita que el estado colapse en el centro de reacción. Entonces, la transferencia de energía no puede ocurrir de esta manera, dicen Vattay y Kauffman.

En cambio, proponen un nuevo proceso en el que el mecanismo de búsqueda cuántica y la interacción con el entorno se combinan para superar la localización de Anderson. Es la interacción entre estos procesos lo que entrega la energía al centro de reacción de una manera óptima, dicen.

La idea es que la interacción con el entorno cambia la naturaleza ondulatoria del estado cuántico lo suficiente para evitar la localización de Anderson. Al mismo tiempo, el efecto zeno cuántico extiende la vida útil del estado cuántico, lo que le permite encontrar su camino hacia el centro de reacción. Es esta interacción entre los mundos cuántico y clásico lo que permite la transferencia de energía.

Eso explica el comportamiento cuántico de los procesos de recolección de luz a temperatura ambiente. Pero Vattay y Kauffman dicen que la idea tiene otras implicaciones importantes. El problema de encontrar un centro de reacción en una matriz de proteínas es formalmente equivalente a muchos otros problemas de la informática. Por lo tanto, debería ser posible convertir la recolección de luz en la tarea de la computación mapeando un problema con el otro.

Eso podría mejorar drásticamente las velocidades computacionales a temperatura ambiente. Las computadoras basadas en complejos de recolección de luz artificial podrían tener unidades con una eficiencia de 100 a 1000 veces mayor a temperatura ambiente, dicen Vattay y Kauffman.

Es más, es posible que este tipo de cálculo ya esté funcionando en la naturaleza. Dado que la realización de este mecanismo parece ahora relativamente fácil, es una cuestión importante si se ha realizado en sistemas de captación de luz o también está presente en otros procesos de optimización o transporte biológico. Especialmente en el cerebro humano, dicen.

Si tienen razón, este nuevo tipo de cálculo podría generar una oleada de interés en un corto espacio de tiempo.

Ref: arxiv.org/abs/1311.4688 : Diseño Evolutivo en Computación Cuántica Biológica

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