Die Vorteile von Quanteneffekten für biologische, soziale und technologische Netzwerke

Noch bis vor relativ kurzer Zeit ging man davon aus, dass das merkwürdige Verhalten von Einheiten, von dem die Quantenphysik berichtet, sich hauptsächlich auf der submikroskopischen Ebene äußert. Im Laufe der vergangenen Jahre jedoch kamen Fragen bezüglich der Rolle des Quantenverhaltens in alltäglicheren, makroskopischen biologischen Prozessen auf. Diese jüngsten Erkenntnisse basieren auch auf früheren Arbeiten des von der EU finanzierten PAPETS-Projekts in Bezug auf diese biologischen Phänomene, hauptsächlich bei der Photosynthese und der Olfaktion.

Zwei Quanteneffekte könnten biologische Prozesse erklären, über welche die Forscher gewissermaßen gestaunt haben: die Fähigkeit, zur selben Zeit an mehreren Orten zu existieren (Superposition), gepaart mit der Fähigkeit, unverzüglich zu verschwinden und dann an einem ganz anderen Ort erneut aufzutauchen.

Das Quantenlabyrinth

Forscher, die sich auf Arbeiten aus dem PAPETS-Projekt stützen, erklären in der Zeitschrift „Physical Review Letters“, wie sie es vor Kurzem geschafft haben, die Zeitlichkeit für Quantenberechnungen zu nutzen, die mit dynamischen Zufallsnetzwerken vorgenommen wurden. Um die Grenzen der Quantenberechnung auszuloten, hat die Gruppe einen räumlichen Suchalgorithmus unter Verwendung von Quanteninformationen untersucht, um einen markierten Knoten in einem zufälligen zeitlichen Netzwerk zu finden.

Die Autoren verweisen darauf, dass bereits nachgewiesen wurde, dass die Quantenberechnung bei Suchaufgaben innerhalb von Netzwerken über einem bestimmten Schwellenwert der Knotenkonnektivität einen Geschwindigkeitsvorteil bieten könnte. Sie haben jedoch auch festgestellt, dass der Quantenvorteil unterhalb dieses Verbindungsschwellenwerts nicht mehr gilt.

In der Studie haben die Forscher die tatsächliche Anordnung des Netzwerks kontinuierlich randomisiert, wobei auch die Anzahl der Verbindungen geändert, während die Anzahl der Knoten konstant gehalten wurde. Sie fanden heraus, dass der Quantensuchalgorithmus ungeachtet des Grades an Konnektivität immer das ermittelt hat, was die Forscher als „eine Frequenz“ zur Erzeugung neuer Netzwerkanordnungen bezeichnen, um den markierten Knoten zu finden. Interessant ist, dass das Team entdeckt hat, dass der Algorithmus selbst dann zum Ausgleich neue Netzwerkanordnungen mit einer schnelleren Rate erzeugt, wenn sie eine Verzerrung vorgaben, die zu einer sehr geringen Knotenkonnektivität führt, wobei viele Knoten vom Rest des Netzwerks isoliert werden.

Die Ergebnisse der Forscher stehen der Erwartung entgegen, dass der Quantensuchalgorithmus beim Versuch, einen markierten Knoten sozialer, natürlicher oder technologischer Art in einem Netzwerk zu finden, mit der sich stets verändernden Netzwerkart zu kämpfen hätte (und im Laufe der Zeit Verknüpfungen verlieren und hinzu gewinnen würde). Tatsächlich haben sie nachgewiesen, dass dieses zeitliche Merkmal als Kontrolle für die Rechnungsleistung genutzt werden kann. Während das Team davon ausgeht, dass seine Arbeit den Quanteninformationstechnologien für Kommunikation und Berechnungen nutzen wird, trägt diese auch zum Verständnis biologischer Prozesse bei.

Wenn Quanteneffekte auf Biologie treffen

Das PAPETS-Projekt (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) ist nun beendet. Es wurde eingerichtet, um zu erkunden, inwiefern elektronische und Schwingungsdynamiken, insbesondere phonongestütze Mechanismen, eine Schlüsselrolle für die Struktur und Funktion biomolekularer Systeme spielen. Das Projekt befasste sich mit der Rolle, die Quanteneffekte möglicherweise dabei spielen könnten, dass die Photosynthese so effizient ist, indem sie es der Energie, die die Exzitonen trägt, ermöglicht, zeitgleich mehrere Pfade im Blatt zu nutzen und so den effizientesten Weg zu den Ziel-Brennstoffmolekülen zu finden. Diese Ergebnisse werden für die Entwicklung besserer Solarzellen genutzt.

Darüber hinaus hat sich die Studie damit befasst, wie Quanteneffekte die Geruchsfähigkeiten dahingehend unterstützen könnten, die Gerüche von Molekülen zu erkennen – anhand eines Verfahrens, das als „Tunneleffekt“ bekannt ist und einem kleinen Molekül hilft, sich mit einem Rezeptor zu verbinden. Diese Erkenntnis stellt die Entwicklung von Technologien zur Geruchserfassung in Aussicht, mit der beispielsweise Gefahren in Nahrungsmitteln oder Wasser erkannt werden könnten.

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