I benefici degli effetti quantistici per le reti biologiche, sociali e tecnologiche

Fino a poco tempo fa si pensava che lo strano comportamento della materia descritto dalla fisica quantistica si manifestasse principalmente a livello submicroscopico. Negli ultimi anni, tuttavia, ci si è chiesto quale sia il ruolo del comportamento quantistico nei processi biologici più quotidiani e macroscopici. Il precedente lavoro del progetto PAPETS, finanziato dall''UE, su questi fenomeni biologici, in particolare in materia di fotosintesi e olfatto, è confluito nelle scoperte più recenti.

Due effetti quantistici potrebbero spiegare i processi biologici che lasciano perplessi i ricercatori, in particolare la capacità di esistere in più luoghi contemporaneamente (sovrapposizione) e la capacità di scomparire istantaneamente, per poi riapparire in un luogo completamente diverso.

Il labirinto quantistico

I ricercatori, attingendo al lavoro svolto nell''ambito del progetto PAPETS, spiegano sulla rivista «Physical Review Letters» come sono riusciti a sfruttare la temporalità per attività di calcolo quantistico eseguite su reti casuali dinamiche. Per testare i limiti del calcolo quantistico, il gruppo di ricerca ha studiato un algoritmo di ricerca spaziale che utilizza dati quantistici, per trovare un nodo marcato su una rete temporale casuale.

Gli autori sottolineano che era già stato dimostrato che il calcolo quantistico avrebbe offerto un vantaggio in termini di velocità nelle attività di ricerca all''interno di reti al di sopra di una determinata soglia di connettività nodale. Hanno però dimostrato anche che, al di sotto di questa soglia di connessioni, questo vantaggio quantistico non è più presente.

Nello studio, i ricercatori hanno continuamente randomizzato l''effettiva disposizione della rete, cambiando anche il numero di connessioni, mentre hanno mantenendo costante il numero di nodi. Hanno così scoperto che, a prescindere dal grado di connettività, l''algoritmo di ricerca quantistico trovava sempre quello che definiscono «una frequenza» per la creazione di nuove disposizioni di rete, per trovare il nodo marcato. Il gruppo ha fatto un''altra scoperta interessante: quando è stato introdotto un errore sistematico impostando una connettività molto bassa di nodi e con molti nodi isolati dal resto della rete, l''algoritmo ha creato nuove disposizioni di rete a un ritmo più veloce per compensazione.

I risultati dei ricercatori erano in contrasto con la previsione secondo cui quando si cerca di trovare un nodo marcato in una rete, sia essa sociale, naturale o tecnologica, l''algoritmo di ricerca quantistico avrebbe problemi con la natura mutevole della rete (perdendo e acquisendo collegamenti nel tempo). Di fatto, i risultati dimostrano che questa caratteristica temporale può essere utilizzata come controllo delle prestazioni del calcolo. Il gruppo prevede che il suo lavoro andrà a vantaggio delle tecnologie informatiche quantistiche per la comunicazione e il calcolo, ma contribuirà anche alla comprensione dei processi biologici.

Quando gli effetti quantistici incontrano la biologia

Il progetto PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) si è concluso. Era stato avviato per definire il ruolo chiave svolto dalle dinamiche elettroniche e vibrazionali, in particolare i meccanismi assistiti da fononi, nella struttura e nella funzione dei sistemi biomolecolari. Il progetto ha esaminato il ruolo che gli effetti quantistici potrebbero avere sull''efficienza della fotosintesi clorofilliana, permettendo agli eccitoni che trasportano l''energia di seguire simultaneamente diversi percorsi nella foglia, trovando il percorso più efficiente per raggiungere le molecole target. I risultati contribuiranno alla progettazione di celle solari migliori.

Inoltre, lo studio ha esaminato il modo in cui gli effetti quantistici potrebbero favorire la capacità olfattiva di riconoscere gli odori dalle molecole, attraverso un processo noto come «tunnel quantistico», che aiuta una molecola olfattiva a unirsi con un recettore. Questa comprensione offre la prospettiva di sviluppare tecnologie per il rilevamento degli odori che potrebbero, ad esempio, individuare eventuali pericoli negli alimenti o nell''acqua.

Per maggiori informazioni, consultare:
pagina web del progetto