Biologia Quântica: Parte 2 – Fotossíntese

por Amara Graps

Fotossíntese – um caso de uso que continua sendo oferecido

O ‘Caso de Uso’ mais famoso da Biologia Quântica é o processo de fotossíntese, onde a área busca responder à pergunta: “Por que a fotossíntese funciona tão bem?” Esta questão refere-se ao facto de partículas de luz ou fotões serem absorvidos e convertidos em energia com quase 100% de eficiência.

Seth Lloyd primeiro refutou o trabalho de Engel et al., 2007: Evidência de transferência de energia semelhante a ondas por emaranhamento quântico em sistemas fotossintéticos e acabou provando isso, em seu excelente artigo: Lloyd, 2011 em Emaranhamento quântico em sistemas biológicos. Confira também a excelente descrição do vídeo no canal Up and Atom no YouTube. A pesquisa concentrou-se no 'processo de transporte de excitons'. Mecânica quântica? Ou não?

Explicação: O processo de fotossíntese começa com a absorção de um fóton por um fotocomplexo, um grupo de estruturas moleculares embutidas na membrana de uma planta ou célula bacteriana. Parte da energia do fóton é convertida em calor na forma de vibrações moleculares, mas a maior parte dela é capturada como um exciton de Frenkel, um par elétron-buraco ligado que reside em um cromóforo, uma molécula “transportadora de luz”, como uma planta ou clorofila da bactéria. A transferência de energia ocorre através de interações dipolares entre cromóforos. O exciton deve se espalhar por centenas ou milhares de cromóforos para chegar ao centro de reação, um complexo molecular especial, onde ocorre a separação de cargas e a energia é descartada.

Engel et al., 2007 levantaram a hipótese de que a interferência entre diferentes modos, ou os chamados 'bits quânticos', deveria ser observada se realmente houvesse coerência entre os excitons. Sem desperdiçar energia em saltos aleatórios, tal coerência pode fazer com que a excitação determine o melhor caminho até o ponto de reação.

O processo de transporte de excitons foi confirmado por Lloyd como um processo mecânico quântico. Seu trabalho mostrou que a eficiência do transporte excitônico tinha uma dependência significativa de 77K da temperatura. Além disso, ele mostrou que a 'caminhada quântica', onde o caminhante faz uma superposição quântica de caminhos através da rede, descreve melhor o processo de transporte do exciton.

No entanto, o processo de transporte do exciton como uma máquina quântica não foi universalmente confirmado no campo da biologia quântica, e os debates intensificaram-se na última década. Veja o artigo vencedor do Physics World de Philip Ball em 2018 A fotossíntese é quântica? Um ano após o trabalho de Lloyd, David Jonas e colegas argumentaram que os “ritmos” eram na verdade causados ​​por um processo de espalhamento Raman, envolvendo vibrações moleculares, em vez de acoplamento quântico entre estados eletrônicos excitados.

Se há uma característica constante da pesquisa em fotossíntese ao longo dos anos, é que um grupo publicará novas pesquisas, em um ou dois anos, deixando sua marca na jornada de pesquisa em fotossíntese que leva muitos anos e rotulando tal trabalho como 'Revisitado' ou 'Revisado'. Veja o estudo mega-2020 de Cao et al. Biologia quântica revisitada (resumo útil: aqui) que mostrou que o acoplamento entre excitons vai além da transferência de energia fotossintética. E a terceira fase de Kim et al., 2021, Biologia Quântica: Revisão e Perspectivaconcluiu (usando 100 ponteiros) que a coerência existe em escalas de tempo curtas, mas que a coerência quântica ainda não foi comprovada. Em vez disso, são necessários futuros desenvolvimentos instrumentais para demonstrar a importância da mecânica quântica na fotossíntese.

Estudos subsequentes incluem Runeson et al., 2022 Habilmente explicado, destacando situações onde a mecânica quântica pode entrar em ação, e Schouten et al., 2023 Amplificação semelhante a exciton-condensado de transporte de energia na coleta de luzdestacando a possibilidade de amplificação do tipo exciton-condensado, para transferência eficiente de energia exciton.

É justo dizer que esta questão é o principal impulsionador da Biologia Quântica em muitos centros de pesquisa e tem excelentes aplicações comerciais se não for utilizada.

Sensores quânticos projetados novamente

As principais ferramentas para testar sensores ambientais baseados em quânticos são sensores quânticos tecnologicamente avançados.

No caso de uso de fotossíntese, como explicou Duan, a escala de tempo para transferência de um local de absorção para outro é de 100 femtossegundos (10 ^ -13 segundos), com o tempo total de transferência de energia para o centro de reação levando alguns picossegundos (10 ^-12) segundos). Com os métodos de eco de fótons 2D de femtosegundo ou espectroscopia 2D, pode-se ver diretamente o acoplamento eletrônico entre as clorofilas ou a base do exciton. Essas ferramentas analíticas estão disponíveis hoje.

Pilha de detecção quântica da GQI

Para ajudar o ecossistema mais amplo a rastrear e prever o potencial comercial dos sensores quânticos, as estratégias que serão necessárias para trazê-los ao mercado e as principais etapas de financiamento que precisarão ser implementadas, a GQI definiu a pilha de sensores quânticos.

Pacote de Física

1. Sistema – a plataforma física na qual o sensor é baseado
   (por exemplo, circuitos supercondutores, átomos neutros, íons aprisionados, spins, fotônica)
2. Componente da sonda – a célula ou outra parte do sistema onde ocorre a detecção
   (por exemplo, SQUID, NV Tip, Vapor Cell, MOT, RF Trap, SPAD etc.)
3. Modo de teste – o estado físico ou método usado para ouvir

Gerenciar o pacote

1. Controle e Aprendizagem – os principais componentes de hardware usados ​​para controle e aprendizagem
2. Ambiente – o nível de severidade de engenharia (ESL) no qual o sistema opera
3. Pacote – tamanho peso e potência (SWaP) do sistema
4. Espaço adequado – um grande obstáculo para satélites e outras aplicações espaciais.

Lógica de Controle

1. Protocolo Físico – a implementação do protocolo de medição física, incluindo técnicas utilizadas para suprimir erros. (por exemplo, desembrulhamento flexível, controle total, etc.)
2. Protocolo Lógico – um protocolo de medição lógico, projetado para retornar o resultado de medição desejado (por exemplo, inicializar, modificar, transformar, transformar, projetar, repetir).

O esboço

1. Calibração Geral – gerenciamento da infraestrutura do sensor, incluindo calibração externa periódica ou calibração do sensor.
2. Processamento de Sinais – o mais recente processamento clássico de leituras brutas de sensores para gerar um valor de sinal, incluindo técnicas usadas para reduzir erros (por exemplo, cálculo de média, agrupamento)

Método (Aplicação Básica)

1. Tempo – relógios e medições de frequência
2. Campo Magnético – magnetômetros; Inc. detecção de campos magnéticos DC e RF
3. Campo Elétrico – eletrômetros (por exemplo, voltímetros), inc, sensor de campos elétricos DC e RF
4. Gravidade/Aceleração – gravímetros e gradiômetros de gravidade, acelerômetros
5. Rotação – girômetros (giroscópios)
6. Outros – inc. temperatura, pressão, pressão, etc.

Aplicativos avançados

1. Sensor Fusion – combina de forma inteligente entradas de sensores clássicos, quânticos e híbridos
2. Imagem computacional – processamento avançado de sinal
3. Apoio à Decisão – sistemas de diagnóstico e apoio à decisão (por exemplo, INS)

O sensor magnético para medição do campo magnético pode estar na coluna com o retângulo vermelho.

Relatório de Perspectiva de Sensoriamento Quântico GQI um relatório de 114 páginas sobre Sensores, incluindo cinco páginas sobre sensores quânticos para medição de campos magnéticos e nove páginas sobre sensores quânticos para temporização (relógios). GQI também tem um “State of Play” de 48 slides para o Quantum Sensing State of Play. É uma das seis apresentações de slides do cliente que descrevem o estado da situação em vários campos: introdução à tecnologia quântica, hardware quântico, segurança quântica, detecção quântica, imagem e tempos, software quântico e paisagem quântica.Se você quiser saber mais, não hesite em entrar em contato

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