[논문 리뷰] Natural and bionic neuronal membranes: possible sites for quantum biology

Lee Smolin|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 21.

Photoreceptor and optogenetics research참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 두 가지 바이오닉 양자 기술을 제안한다: 31P 핵 스핀을 큐비트로 사용하고 전자 스핀을 제어 큐비트로 사용하는 하이브리드 실리콘-지질막 장치와, 편광성 지질에 의해 구동되는 신경세포막에서의 토폴로지적 양자 모델. 핵심 기여는 편광성 막 구조가 초전도 쌍극자 스핀 결합을 유도할 수 있으며, 기하학적 보호를 통해 열 노이즈로부터 분리된 강건한 토폴로지 큐비트를 가능하게 한다는 이론적 제안이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자연적이고 인공적인 신경세포막이 양자 정보 처리의 플랫폼으로서 실현 가능한지 탐색한다.
• 지질막이 핵 스핀 큐비트를 통해 장수하는 양자 상태를 유지할 수 있는지 조사한다.
• 신경세포막의 편광성 지질 배열이 초전도 쌍극자 스핀 결합을 유도하여 토폴로지 큐비트를 가능하게 할 수 있는지 제안한다.
• 막 채널 내 토폴로지 래핑 상태가 열 노이즈에 대해 강건하여 보호된 양자 하위계를 제공할 수 있는지 평가한다.
• 특히 축삭에서의 생물학적 막에서 양자 생물학의 개념적 기초를 마련한다.

제안 방법

• 하이브리드 구조는 실리콘 웨이퍼 위에 지질막 이중층을 형성하며, 인산기의 31P 핵 스핀을 기억 큐비트로 사용한다.
• 양이성 인산기(예: 인지질콜린)에 존재하는 불완전 전자 스핀은 케인의 고체상 양자 컴퓨팅 제안과 유사하게 제어 큐비트로 기능한다.
• 실리콘 웨이퍼에 고전적 제어 게이트와 나노선 회로를 에칭하여 전자 파동함수를 조작하고 핵 스핀 간의 얽힘을 유도한다.
• 이중층 구조는 핵 스핀의 공간적 분리와 차폐를 통해 양자 정보를 토폴로지적으로 보호한다.
• 지질 분자의 편광성은 전자기 작용에 효과적인 초전도 쌍극자 스핀 항을 생성할 수 있으며, 이는 구멍이 있는 실린더 표면에서의 토폴로지 래핑 상태를 유도한다.
• 모델은 $ b_0 $ 비례의 토폴로지 결합 항을 포함한 수정된 맥스웰 방정식을 사용하여, 횡방향 전자기장이 토폴로지 큐비트 상태를 유도하거나 측정할 수 있음을 시사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 웨이퍼 위의 지질막이 31P 핵 스핀과 전자 스핀을 이용해 안정적이고 제어 가능한 큐비트를 유지할 수 있는가?
• RQ2 신경세포막의 편광성 구조가 초전도 쌍극자 스핀 결합을 통해 토폴로지 양자 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ3 유도된 토폴로지 래핑 상태가 생리적 온도에서 열 노이즈로부터 충분히 분리되어 있어 안정성 확보가 가능한가?
• RQ4 축삭의 이온 채널 동역학이 토폴로지적으로 보호된 큐비트의 프로브 또는 제어 수단으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 막 내에서 노이즈에 강건한 양자 정보 처리를 위해 이용 가능한 보호된 양자 하위계가 존재하는가?

주요 결과

• 31P 핵 스핀은 긴 공명 시간과 환경에 대한 약한 결합으로 인해 기억 큐비트로 실현 가능하다고 제안된다.
• 양이성 인산기의 불완전 전자 스핀은 전자 파동함수의 겹침을 통해 염기화 및 게이트 연산을 가능하게 하며 제어 큐비트로 기능할 수 있다.
• 이중층 구조는 핵 스핀을 환경의 디코herence로부터 차폐함으로써 양자 정보를 보호할 수 있다.
• 지질 분자의 편광성은 효과적인 초전도 쌍극자 스핀 결합을 유도하여, 구멍이 있는 실린더 표면(이온 채널)에서의 토폴로지 래핑 상태를 초래할 수 있다.
• 에너지 갭의 근사적 추정치에 따르면, 토폴로지 상태의 에너지 갭은 실온 이상일 수 있으며, 이는 신호 전파 시간 척도에서 준안정성을 의미한다.
• 모델은 신경전위가 이온 유동 중에 생성되는 횡방향 전자기장에 의해 토폴로지 큐비트를 왜곡하거나 측정할 수 있다고 시사한다.