[論文レビュー] Natural and bionic neuronal membranes: possible sites for quantum biology

Lee Smolin|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2020

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、31P核スピンをキュービットとして用い、電子スピンを制御キュービットとして用いるシリコン-リン酸脂質膜デバイス、およびキラルなリン酸脂質によって駆動されるニューロン膜におけるトポロジカル量子モデルの2つのバイオニック量子技術を提案する。主な貢献は、キラルな膜構造がチェーン＝シモンズ結合を誘導する理論的提案であり、幾何学的保護によって強靭なトポロジカルキュービットを実現し、熱的ノイズからある程度分離可能である可能性があることである。

ABSTRACT

A new concept for bionic quantum technology is presented based on a hybrid of a silicon wafer on which is layered a phospholipid membrane, such as is found in biological cell membranes. The phosphorus atoms in the head groups of the membranes carry nuclear spins which serve as memory qubits. The role of control qubits may be played by unpaired spins of extra electrons on phosphate groups with a single negative charge, in polar, zwitterionic headgroups such as phosphatidylcholine (PC). Classical control gates and circuits are embedded on the silicon wafer, as in proposals by Kane and others for solid state quantum computing devices. A proposal to extend these ideas to neuronal membranes, which makes use of the chirality of the phospholipid molecules that make up its bulk, is also briefly sketched. The chirality of the phospholipid molecules is argued, at least at low temperature, to induce Chern-Simons couplings, which may give rise to robust qubits in topological winding states, defined on the cylinder mod punctures-which are the ion channels.

研究の動機と目的

• 自然および人工のニューロン膜が量子情報処理のプラットフォームとして利用可能かどうかを検討すること。
• リン酸脂質膜が核スピンキュービットと電子スピン制御を介して長寿命な量子状態を保持できるかどうかを調査すること。
• ニューロン膜におけるキラルなリン酸脂質配列がチェーン＝シモンズ結合を誘導し、トポロジカルキュービットを可能にする可能性を提唱すること。
• 膜のチャネルにおけるトポロジカル巻き付き状態が熱的ノイズに対して頑健であるかどうかを評価し、保護された量子サブシステムを提供する可能性を検討すること。
• 特にアキソンにおいて、生物学的膜における量子生物学の概念的基盤を築くこと。

提案手法

• リン酸脂質二重層をシリコンウェーパー上に積層し、リン酸基の31P核スピンをメモリキュービットとして用いる。
• 両性イオン性リン酸基（例：リンホスファチジルコリン）に存在する不対電子スピンが、ケインの固体状態量子計算提案に類似した制御キュービットとして機能する。
• シリコンウェーパーに古典的制御ゲートおよびナノワイヤ回路をエッチングし、電子波動関数を操作し、核スピン間のエンタングルメントを媒介する。
• 二重層構造が空間的分離と核スピンのシールド効果により、量子情報をトポロジカルに保護する可能性を有する。
• リン酸脂質分子におけるキラリシティが、電磁気作用に有効なチェーン＝シモンズ項を生成し、穴あき（イオンチャネルを含む）円筒表面におけるトポロジカル巻き付き状態を誘導する可能性が提唱される。
• トポロジカル結合項が $ b_0 $ に比例するように修正されたマクスウェル方程式を用い、横方向電磁場がトポロジカルキュービット状態を誘導または測定可能であると示唆される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンウェーパー上に積層されたリン酸脂質膜が、31P核スピンと電子スピンを用いて安定的かつ制御可能なキュービットを保持できるか？
• RQ2 ニューロン膜のキラル構造が、チェーン＝シモンズ結合を介してトポロジカル量子状態を誘導できるか？
• RQ3 得られるトポロジカル巻き付き状態が、生理的温度で準安定的であるほど熱的ノイズから十分に分離可能か？
• RQ4 アキソンにおけるイオンチャネルのダイナミクスが、トポロジカルに保護されたキュービットのプローブまたは制御メカニズムとして機能できるか？
• RQ5 膜内にノイズに強く耐性のある量子サブシステムが存在し、ノイズ耐性の高い量子情報処理に利用可能か？

主な発見

• 31P核スピンは、長いコherences時間と環境への弱い結合性から、実現可能なメモリキュービットであると提唱される。
• 両性イオン性リン酸基に存在する不対電子スピンは、電子波動関数の重なりを介してエンタングルメントやゲート操作を可能にする制御キュービットとして機能できる。
• 二重層構造が核スピンの環境からのデコherenceを遮断することで、量子情報を保護する可能性を有する。
• リン酸脂質分子におけるキラリシティが、有効なチェーン＝シモンズ結合を誘導し、穴あき（イオンチャネルを含む）円筒面上のトポロジカル巻き付き状態を生じさせる可能性がある。
• 粗い見積もりでは、トポロジカル状態のエネルギーギャップが室温を超える可能性があり、信号伝播時間スケールで準安定的であると示唆される。
• このモデルは、イオンの流れに伴い発生する横方向電磁場が、ニューロンのアクションポテンシャルによってトポロジカルキュービットを摂動または測定可能であると示唆する。