Nanotecnologia

Mecânica quântica demonstrada na biologia pela primeira vez

Mecânica quântica em sistema biológico demonstrada pela primeira vez
Esquema do complicado aparato para demonstração do entrelaçamento quântico em um sistema biológico. [Imagem: Siyuan Shi et al. - 10.1038/s41467-017-02027-9]

Vida quântica

O pioneiro da mecânica quântica, Erwin Schrödinger, já se perguntava - 75 anos atrás - se o mundo misterioso dessa física muito diferente das nossas intuições, que ele ajudou a criar, desempenharia também um papel na biologia.

Desde então, a resposta definitiva - que muitos já apostavam ser sim - esperava por demonstrações práticas inequívocas.

Siyuan Shi e seus colegas da Universidade Northwestern, nos EUA, finalmente obtiveram essa comprovação ao criar um emaranhamento quântico - ou entrelaçamento - em um sistema biológico.

A técnica usada no experimento promete abrir novos caminhos para a compreensão fundamental da biologia e da vida e, eventualmente, produzir sistemas mais resilientes para a computação quântica.

Emaranhamento de polarização

Quando partículas - como átomos, fótons ou elétrons - estão entrelaçadas, ou emaranhadas, elas têm um vínculo inexplicável que é mantido mesmo se as partículas forem levadas para lados opostos do universo. Se alguém medir o spin de uma delas, por exemplo, então a outra partícula instantaneamente ajusta seu spin de forma correspondente, e ambas sempre darão o mesmo resultado.

Como essas partículas podem se comunicar sem fios ou cabos - alguns físicos garantem que elas o fazem além do limite da velocidade da luz -, elas podem ser usadas para enviar mensagens seguras ou ajudar a criar uma internet quântica extremamente rápida.

Para demonstrar o entrelaçamento em um sistema biológico, Shi trabalhou com proteínas fluorescentes verdes, que são responsáveis pela bioluminescência e comumente usadas na pesquisa biomédica. A equipe entrelaçou os fótons emitidos por essas moléculas fluorescentes dentro da estrutura em forma de barril da proteína de uma alga, usando uma técnica chamada mistura de quatro ondas, quando três feixes de luz se misturam em um meio não-linear para criar um quarto feixe de luz - essa técnica já foi usada, por exemplo, para fazer informações quânticas trafegarem por fibras ópticas comuns.

Eles obtiveram um tipo de emaranhamento entre pares de fótons chamado de emaranhamento de polarização. A polarização é a orientação das oscilações nas ondas de luz - é o mesmo mecanismo usado nos óculos para visualização de filmes 3D. Nos pares biológicos emaranhados, as polarizações dos fótons são compartilhadas, o que significa que as direções de oscilação das ondas de luz dos dois estão inextrincavelmente ligadas.

Proteção de qubits

Como adicional inesperado, a equipe verificou que a estrutura em forma de barril que circundava as moléculas fluorescentes protegeu o emaranhamento, evitando o processo de decoerência - a decoerência faz com que os qubits percam seus dados, sendo um dos principais problemas da computação quântica.

Agora que está demonstrado que é possível criar entrelaçamentos quânticos entre partículas biológicas, o próximo plano da equipe é construir um substrato biológico de partículas entrelaçadas, que poderá ser usado para construir uma máquina quântica - um sistema de bio-qubits.

O objetivo é descobrir se um substrato biológico funcionaria de forma mais eficiente do que um sintético para experimentos de física e computação quânticas.

Bibliografia:

Generation of photonic entanglement in green fl uorescent proteins
Siyuan Shi, Prem Kumar, Kim Fook Lee
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 1934
DOI: 10.1038/s41467-017-02027-9




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