[論文レビュー] Entanglement and intra-molecular cooling in biological systems? - A quantum thermodynamic perspective

Hans J. Briegel, Sandu Popescu|ArXiv.org|Jun 27, 2008

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 27被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、開放的で駆動される非平衡ダイナミクスのおかげで、誤り訂正やリセット機構が可能になるため、高温およびデコherence環境下でも、生物学的系においてももつれや分子内冷却が持続可能であると主張している。実験室の閉じた系とは異なり、生物学的系は連続的な安定化プロセスによって量子効果を維持できることを示唆しており、温暖で湿った環境下ではもつれが本質的に壊れやすいという仮定に反するものである。

ABSTRACT

We discuss the possibility of existence of entanglement in biological systems. Our arguments centre on the fact that biological systems are thermodynamic open driven systems far from equilibrium. In such systems error correction can occur which may maintain entanglement despite high levels of de-coherence. We also discuss the possibility of cooling (classical or quantum) at molecular level.

研究の動機と目的

• 室温下のデコherenceによってもつれが生物学的系に生存できないという一般的な仮定に反論すること。
• 生物学的系における開放的・駆動的・非平衡ダイナミクスが、量子コherーの誤り訂正と安定化を可能にすると主張すること。
• 環境に対して特定の分子部分が冷却される「分子内冷却」が、もつれよりも実現可能性が高く、量子コherーがなくても発生しうると提案すること。
• もつれを維持するのに無視されがちな熱力学的メカニズムを強調することで、生物学における量子現象に関する研究を促進すること。

提案手法

• 局所的なリセット領域を有するスピンガスの簡易モデルを分析し、粒子が純粋な量子状態に準備されることで動的もつれ生成が可能であることを示す。
• マスター方程式を用いてバッファガスとの衝突によるデコherenceをモデル化し、リセット率と相互作用強度が臨界閾値を超える場合にのみもつれが持続可能であることを示す。
• 粒子が周期的に低エントロピー状態にリセットされるメカニズムを導入し、これにより環境とのもつれが破壊され、再び衝突時に新たなもつれが形成可能であることを示す。
• 動的平衡の概念を適用することで、ノイズが多く、高温な環境下でも定常状態のもつれが出現しうることを示す。
• モデルのリセットプロセスと酵素によるリセットやタンパク質のコンformational変化といった生物学的プロセスとの類似性を示す。
• この枠組みを拡張し、光合成や磁気受容における量子効果を説明する類似のメカニズムが存在しうると示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 生物学的系が開放的・駆動的・非平衡的であるという性質を考慮すると、高温および環境ノイズの下でももつれが持続可能かどうか。
• RQ2 温暖で湿ったノイズの多い生物学的環境において、もつれを安定化する熱力学的メカニズムは何か。
• RQ3 環境に対して特定の分子部分が冷却される「分子内冷却」は、持続的もつれよりも実現可能性が高いのか。
• RQ4 生物学的系におけるリセットプロセスは、スピンガスモデルにおける量子リセットメカニズムと類似した働きを示し、量子コherーを維持できるか。
• RQ5 開放的量子系において持続的もつれを実現するために必要な最小限の物理的条件（例：相互作用強度、リセット率）は何か。

主な発見

• 粒子が局所領域で周期的に純粋な量子状態にリセットされる場合、高温でノイズの多いガス系でももつれを維持可能である。
• 相互作用強度とリセット率のバランスに応じて、定常状態のもつれがゼロから非ゼロに急激に遷移する「相転移」を示す。
• 粒子が純粋状態ではなく、低エントロピーの混合状態にリセットされても、もつれは依然として維持可能であり、初期化の不完全性に対しても頑健であることが示された。
• リセット機構により、環境とのもつれが破壊され、デコherenceが低減し、再び衝突時に新たなもつれが形成可能となる。
• モデルは、もつれが開放系において本質的に壊れやすいわけではないことを示しており、リセットによる動的安定化がデコherenceを相殺可能であることを示している。
• 分子内冷却の可能性は、持続的もつれよりも確実に実現可能であると主張され、これは量子コherーを必要としない。