Eficiência nos processos biomoleculares da natureza, como a fotossíntese, não é totalmente explicado pela teoria convencional. O projeto PAPETS, financiado pela UE, explorou os efeitos quânticos para compreender melhor esses processos, recentemente levando a novas percepções sobre as possibilidades de computação quântica.

Até há relativamente pouco tempo, pensava-se que o estranho comportamento de entidades relatadas pela física quântica, foi manifestado principalmente no nível submicroscópico. Contudo, nos últimos anos, perguntas foram feitas sobre o papel do comportamento quântico em mais todos os dias, processos biológicos macroscópicos. Os trabalhos anteriores do projeto PAPETS, financiado pela UE, sobre esse fenômeno biológico, principalmente na fotossíntese e olfato, alimentou essas descobertas recentes.

Dois efeitos quânticos podem explicar os processos biológicos que têm intrigado os pesquisadores, a saber:a capacidade de existir em vários locais ao mesmo tempo (superposição), junto com ser capaz de desaparecer instantaneamente, e reaparecer em um lugar totalmente diferente.

O labirinto quântico

Pesquisadores com base no trabalho realizado como parte do projeto PAPETS, explique no jornal Cartas de revisão física como eles recentemente conseguiram explorar a temporalidade para tarefas de computação quântica realizadas em redes aleatórias dinâmicas. A fim de testar as limitações da computação quântica, a equipe estudou um algoritmo de busca espacial usando informações quânticas, para encontrar um nó marcado em uma rede temporal aleatória.

Os autores apontam que já foi demonstrado que a computação quântica ofereceria uma vantagem de velocidade em tarefas de busca em redes acima de um certo limite de conectividade nodal. Contudo, eles também descobriram que abaixo deste limite de conexões, a vantagem quântica não era mais válida.

No estudo, os pesquisadores randomizaram continuamente o arranjo real da rede, com o número de conexões também mudando, enquanto mantém o número de nós constante. Eles descobriram que qualquer que seja o grau de conectividade, o algoritmo de busca quântica sempre encontrado, o que eles se referem como, 'uma frequência' para gerar novos arranjos de rede, para encontrar o nó marcado. Interessantemente, a equipe descobriu que, mesmo quando impôs um viés, resultando em uma conectividade muito baixa de nós, com muitos nós isolados do resto da rede, o algoritmo criou novos arranjos de redes em uma taxa mais rápida para compensar.

Os resultados dos pesquisadores foram contra a expectativa de que, ao tentar encontrar um nó marcado em uma rede, seja social, natural ou tecnológico, o algoritmo de busca quântica lutaria com a natureza em constante mudança da rede (perdendo e ganhando links ao longo do tempo). Na verdade, eles demonstram que esse recurso temporal pode ser usado como um controle para o desempenho do cálculo. Embora a equipe preveja que seu trabalho beneficiará as tecnologias de informação quântica, para comunicação e computação, também contribui para a compreensão dos processos biológicos.

Quando os efeitos quânticos encontram a biologia

O projeto PAPETS (Processos Assistidos por Phonon para Transferência e Detecção de Energia) acabou. Foi criado para explorar como a dinâmica eletrônica e vibracional, especificamente mecanismos assistidos por fônons, desempenha um papel fundamental na estrutura e função dos sistemas biomoleculares. O projeto examinou o papel que os efeitos quânticos podem desempenhar em tornar a fotossíntese das plantas tão eficiente quanto é, permitindo que os excitons que carregam energia explorem diferentes caminhos na folha simultaneamente, encontrar a rota mais eficiente para as moléculas de combustível alvo. Os resultados estão contribuindo para os esforços para projetar melhores células solares.

Adicionalmente, o estudo analisou a forma como os efeitos quânticos podem ajudar a capacidade olfativa de reconhecer cheiros de moléculas, através de um processo conhecido como 'tunelamento quântico', que ajuda uma molécula de cheiro a se unir a um receptor. Esse entendimento oferece a perspectiva de desenvolver tecnologias para detecção de odores que poderiam, por exemplo, detectar perigos em alimentos ou água.