NeoFronteras

Estado cuántico entrelazado en partículas biológicas

Área: Biología,Física — domingo, 10 de diciembre de 2017

Crean un estado cuántico entrelazado de polarización de fotones a partir de proteínas bioluminiscentes de origen biológico y cómo mantener la coherencia cuántica en dicho sistema.

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Como ya sabemos, no se puede concebir la realidad sin la Mecánica Cuántica (MC), pues controla el mundo microscópico. La formación de los átomos y de sus núcleos o la formación de toda molécula puede explicarse mediante la Mecánica Cuántica. Los chips electrónicos del ordenador con el que usted, amigo lector, lee esta nota, también dependen de la Mecánica Cuántica. Una vez se la conoce un poco, la Mecánica Cuántica es casi cotidiana.

La célula fotoeléctrica del ascensor o las placas solares del tejado (si es que se tienen) funcionan bajo los mismos principios. La explicación al efecto fotoeléctrico tiene ya más de 100 años y fue dada por Albert Einstein. Por tanto, la Mecánica Cuántica debe jugar un papel esencial en la fotosíntesis, pero los detalles del proceso se han empezado a conocer recientemente.

Y, por supuesto, si no fuera por la Mecánica Cuántica tampoco habría vida, porque no se formarían moléculas orgánicas, empezando por el ADN. De hecho, sin la MC los átomos serían inestables y no habría química alguna, así que no habría bioquímica ni, por lo tanto, vida. Así que si nos dicen que la vida está controlado por la MC nos están diciendo una obviedad. Siempre y cuando nos circunscribamos a fenómenos cuánticos triviales, claro está.

Porque, además, la MC presenta fenómenos raros que se dan a nivel teórico y experimental para los cuales siempre ha sido complicado dar una interpretación que sea aceptada por todos los físicos. Llamaremos a estos casos fenómenos cuánticos “no triviales”.

Una de las cosas que más sorprendentes de la MC es el entrelazamiento cuántico. En virtud de este fenómeno, dos partículas separadas están correlacionadas cuánticamente de tal modo que el colapso de la función de ondas de una de ellas determina el estado de la otra instantáneamente. Los estados de ambas partículas estarán indeterminados hasta que una medida colapse el estado de spin o polarización de una de estas partículas, entonces, automáticamente, el estado de la otra quedará totalmente determinado de manera instantánea, incluso si median años luz de distancia. Aunque esto no viola la causalidad relativista, porque no se transmite información. Hay que admitir que todo esto es un poco incómodo.

Otro tipo de fenómeno no trivial es el de la superposición de estados, de tal modo que una partícula puede estar en dos o más estados a la vez hasta que colapsa en uno de ellos al medir. Es el caso del famoso gato de Schrödinger.

Este tipo de fenómenos son muy difíciles (pero no imposibles) de mostrar en el laboratorio. El problema es que normalmente todo se va al traste con la menor perturbación (proceso al que se llama decoherencia), por eso a veces hay que enfriar el sistema a estudiar hasta temperaturas cercanas al cero absoluto, momento en que cesa toda vibración.

Mantener la coherencia cuántica de tal modo que se tenga una partícula en una superposición de un par de estados durante un corto periodo de tiempo es todo un logro.

Cuando se aumenta el número de partículas de un sistema cuántico más difícil es mantener la coherencia. Aunque se ha llegado a proponer hacer una análogo al experimento mental del gato de Schrödinger, pero con virus.

Hasta hace poco se creía que los seres vivos estaban demasiado calientes y húmedos como para soportar fenómenos cuánticos no triviales, pero la investigación en el tema de la fotosíntesis reveló que no era así.

Ahora, un estudio reciente de un grupo de investigadores dirigidos por Prem Kumar (Northwestern University) añade un caso más al asunto al crear un entrelazamiento cuántico entre sistemas biológicos no vivos. Esto podría permitir una mejor comprensión de los fundamentos de los sistemas vivos y quizás obtener aplicaciones tecnológicas.

“¿Podemos aplicar las herramientas cuánticas para aprender más acerca de la biología? La gente se ha preguntado por esta cuestión durante muchos años, remontándose desde el advenimiento de la Mecánica Cuántica. La razón por la que estamos interesados en estos estados cuánticos es porque nos permiten aplicaciones que serían de otro modo imposibles”, dice Kumar.

Investigadores como Kuman están interesados en usar el entrelazamiento cuántico para distintas aplicaciones prácticas, incluidas las telecomunicaciones cuánticas. Así, por ejemplo, fotones entrelazados pueden usarse para mandar mensajes “cifrados” cuánticamente de una forma rápida y segura.

Este grupo de investigadores se preguntó si se podrían usar para estos procesos un substrato biológico. Entonces se fijaron en las proteínas fluorescentes responsables de la bioluminiscencia en algunos seres vivos y que han venido siendo usadas en investigación biomédica para otros fines.

Así que intentaron entrelazar fotones generados por estas sustancia, mientras estaban dentro de la estructura proteica en forma de barril de un alga, mediante la exposición a una luz que era mezcla de cuatro longitudes de onda distintas. Durante este tipo de proceso, varias longitudes de onda interaccionan unas con otras para producir una nueva longitud de onda.

A lo largo de distintos experimentos demostraron en concreto que se daba un tipo de entrelazamiento: el entrelazamiento de polarización entre pares de fotones. En estos pares de fotones, la polarización de los mismos está entrelazada de tal modo que la dirección de oscilación de esos dos fotones está relacionada entre sí. La medida del estado de polarización de uno de ellos determina el del otro. Además, notaron que la estructura proteica en forma de barril que rodea a las proteínas fluorescentes protegía al entrelazamiento de la decoherencia.

“Cuando medíamos la polarización vertical de una partícula, sabíamos que iba a ser la misma en el otro lado. Si mediamos la polarización horizontal de una partícula, podíamos predecir la polarización horizontal de la otra partícula. Creamos un estado entrelazado que correlacionaba todas las posibilidades simultáneamente”, dice Kumar.

Ahora que han demostrado que es posible crear un estado cuántico entrelazado en partículas biológicas, el siguiente paso de este grupo de investigadores es crear un substrato biológico de partículas entrelazadas que pueda ser usado en una máquina cuántica. Entonces tratarán de comprender si este substrato funciona de manera más eficiente que uno sintético no biológico.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=5873

Fuentes y referencias:
Artículo original.
La Mecánica Cuántica de la fotosíntesis
¿Brújula animal cuántica?
¿Entrelazamiento cuántico en ADN?
Más sobre fotosíntesis cuántica
Foto: Northwestern University

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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25 Comentarios

  1. Joaquin Jorge Ruiz Baez:

    Error. Cuando se determina que un fotón está polarizado en horizontal, tenemos la seguridad que su fotón asociado por entrelazamiento está polarizado en vertical. Ya que dos fotones entrelazados son uno respecto del otro su imagen especular.

  2. petrus:

    He puesto mi mano frente a un espejo para ver su imagen especular, la he girado un poco sobre un eje vertical y la mano virtual ha girado también verticalmente… aunque en sentido contrario, pero no sobre un eje horizontal… ¿?

  3. Joaquin Jorge Ruiz Baez:

    La mano derecha es especular respecto de la mano izquierda, pero si las intercambiamos, por ejemplo en un maniquí, la estructura anatómica tradicional se descompone aunque las dos manos sean perfectamente iguales y las usemos para dar palmadas :)

  4. tomás:

    Pienso que se trata de una errata al escribir: si un fotón está polarizado en horizontal, el otro ha de estarlo en vertical. Que es una errata se deduce al leer, en el apartado “Discussion”, el primer párrafo del artículo original.
    Digo yo…

  5. tomás:

    Bueno, amigo “petrus”, eso del espejo tiene su explicación. Tu mano rota al revés, pero si te trasladas a tu imagen detrás del espejo, te darás cuenta de que gira en el mismo sentido. Si giras la mano en el sentido de las agujas del reloj y miras la imagen desde tu ser, parece girar en sentido contrario, pero si tu imagen mira la imagen de la mano, verá tu imagen que la imagen de la mano gira también en el sentido de las agujas del reloj.
    Yo creo que se entiende-edneitne… o algo así.

  6. NeoFronteras:

    Esa parte está entrecomillada, es lo que dice el investigador textualmente y así está recogido en la nota de prensa.

    Además, los estados cuánticos entrelazados se preparan, no vienen dados. Todo depende de cómo los hayan preparado. En este caso es un estado de Bell de este tipo: ∣∣Φ+⟩=(∣HsHi⟩+∣VsVi⟩)∕√2

  7. NeoFronteras:

    De todos modos, el artículo está en abierto y se puede leer. El que tenga dudas que lo consulte.

  8. Joaquin Jorge Ruiz Baez:

    Todavía no se han inventado dos fotones entrelazados con la misma polarización. Quizás mañana si.

  9. NeoFronteras:

    Es lo que dice el investigador en la nota de prensa. Está entrecomillado:
    http://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2017/12/entangling-biological-systems.html

    When I measured the vertical polarization of one particle, we knew it would be the same in the other,” he said. “If we measured the horizontal polarization of one particle, we could predict the horizontal polarization in the other particle.

  10. tomás:

    Entonces, en lo que me concierne, he traducido-interpretado mal el apartado “Discussion” al que aludo en mi 4. Lo lamento.

  11. lluís:

    ¿En temperaturas cercanas al cero absoluto cesa toda vibración? ¿No dice la mecánica cuántica que en el cero absoluto -inalcanzable, por lo menos hasta la fecha- queda una energía residual, denominada energía del punto cero?

    En cuanto a que no se viole la causalidad al no transmitirse información en el entrelazamiento cuántico, es algo realmente extraño, parecería que en ese fenómeno cuántico, hay una comunicación supralumínica.La Relatividad General no prohibe la existencia de partículas que superen la velocidad de la luz,podrían ser los taquiones, cuya velocidad está comprendida entre c y el infinito, curiosamente los taquiones aceleran cuando pierden energía, por lo que la energía del taquión puede ser incluso nula, a velocidad infinita.Con una energía nula los taquiones pueden surgir espontáneamente del vacío.

    Es muy especulativo pensar que los taquiones esten implicados en el “entrelazamiento cuántico”, pero es que también es muy extraño el hecho de que una partícula en un confin del universo se vea afectada por otra que hemos manipulado aquí, aunque se hayan preparado en un mismo sistema cuántico, claro.

    Por otro lado,el estudio de los taquiones no se ha abandonado e incluso se les aborda dentro de la teoría de campos cuánticos (y en cuerdas)

  12. NeoFronteras:

    No, no cesa toda vibración. Incluso si se alcanzara el cero absoluto (algo que no se puede) siempre habría fluctuaciones cuánticas.

    Podría ser que las constantes cambiaran, pero posiblemente no lo hagan. Pero hay que comprobarlo. La ciencia no es una fe, aunque a veces lo parezca por el comportamiento de algunos. Sobre esto del cambio en las constantes, había un físico brasileño que proponía que la velocidad de la luz era mucho mayor durante el Big Bang y de ahí la homogeneidad del Universo. Con ello se cargaba la inflación.

    No, no se transmite información. Si desde Madrid se envían dos cartas, una a Barcelona y otra Lisboa en la que se comunica “El Valladolid ha ganado la liga de fútbol”, dicha información no viaja de Lisboa a Barcelona o al revés. El receptor de Barcelona sabe al abrir el sobre que su colega de Lisboa tiene esa misma información y viceversa, pero no se la envía él. Los tipos en Lisboa y Barcelona no se comunican. Es curisoso que quién abra el sobre dependerá del sistema de referencia según la Relatividad.
    Esto de la “acción a distancia” es lo que a Einstein no le gustaba. De ahí la E de la “paradoja” EPR.

    El entrelazamiento se entiende mejor si no pensamos en términos de partículas, sino de campos. Las partículas serían excitaciones de esos campos que llenan todo el espacio-tiempo.

    No, la Relatividad no permite velocidades superlumínicas, ni taquiones. No, los taquiones no existen. Y si los de cuerdas tienen que recurrir a ellos, entonces apaga y vámonos.

  13. lluís:

    Desde luego nadie ha visto un “taquión, pero es que la RE singulariza una velocidad, la de la luz en el vacío, c, y c que es la velocidad que todo observador inercial percibe con independencia de su propia velocidad, es un límite o cota máxima para partículas con masa no nula en reposo, pero podría ser una cota inferior para partículas “taquión”. De ser así no parece que la RE prohiba la existencia de taquiones.

    También es interesante, al menos interesante, echarle un vistazo a esto:

    https://arxiv.org/abs/1112.5278

  14. Miguel Ángel:

    Bajo ese mismo enfoque relativista, ¿los taquiones viajarían hacia atrás en el tiempo?

  15. lluís:

    Lo que sucedería con los taquiones, Miguel Ángel, es que se cargarían el principio de causalidad.De poder utilizar taquiones para el intercambio de mensajes, y dada su teórica velocidad supralumínica, podrías recibir respuesta a tu mensaje ¡ antes de que hubieras emitido el tuyo!. Muy raro, desde luego. A velocidad supralumínica parece que podría pasar de todo y más,incluso viajar atrás en el tiempo.

    Un abrazo, amigo.

  16. Miguel Ángel:

    Según esa teoría, algunos de esos fenómenos extraños ya aparecen cuando la velocidad es muy próxima a “c”, sin necesidad de rebasarla. En un documental reciente especulaban con el hipotético caso de un astronauta que se precipita por el horizonte de sucesos de un AN: se convierte en un espagueti por efecto de la gravedad, pero al mismo tiempo, a medida que su velocidad se aproxima a “c”, experimenta cómo el tiempo se detiene, e incluso apuntaban a que podría experimentar “flash backs” o sensaciones de que el tiempo va, indistintamente, hacia delante y hacia atrás.

    Otro abrazo, querido Lluís.

  17. lluís:

    Sí, lo de la “espaguetización” del señor que va cayendo dentro del agujero negro,y debida a la fuerza de marea, que no es una fuerza sino un efecto de la gravedad y en RE la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo, está ampliamente descrita, en documentales, reportajes, estudios científicos, etc.

    Lo que no acabo de entender es cuando dices: “pero al mismo tiempo a medida que su velocidad se aproxima a ‘c’ ” Cerca de un agujero negro el tiempo transcurre más lentamente y cruzado el horizonte de sucesos parece que el tiempo se detiene totalmente.

    Pero si se prescinde del agujero negro, y se supone que una nave puede alcanzar velocidades muy proximas a c, entonces sí que el tiempo se detiene. Si viajases un año a la velocidad de la luz en el vacío habrías detenido el tiempo.

    Hasta la próxima, Miguel Ángel.

  18. tomás:

    Dices, amigo Lluís que el tiempo se detiene en el interior de un AN, pero -pregunto, porque no me aclaro-: ¿es que, necesariamente, todo cuanto hay en un AN ha de moverse a la velocidad de la luz? Pienso que no. Simplemente su característica es que, dada su gran masa, la velocidad de escape superaría a la de la la luz. Entonces, ¿por qué ha de detenerse el tiempo? Por otra parte, y dada mi idea de que lo que realmente existe es la entropía, creo que los AN sí participan de ella -de la total del universo, quiero decir-.

  19. JavierL:

    Contestando a tu 18 amigo tomas tengo entendido que el agujero negro ralentiza el tiempo por el simple efecto de la gravedad. Mientras más masivo es un cuerpo más lento pasa el tiempo por puro efecto de la gravedad.

    https://es.m.wikipedia.org/wiki/Dilataci%C3%B3n_gravitacional_del_tiempo

    En un documental vi que Si tu caes en un agujero negro y yo estoy lejos mirándote sucedería esto:

    como tu tiempo empieza a pasar muy lentamente y hasta se detiene casi para ti mientras afuera todo es normal podrías ver toda la evolución del universo hasta su final.

    como el tiempo pasa muy lentamente para ti tu te quedas detenido bajo mi perspectiva, así que en el agujero negro tiene como un holograma de todo lo que ha caído dentro. Y es lo que resolvió la paradoja de la pérdida de información en agujeros negros que propuso hawking.

  20. JavierL:

    Bueno veías el universo hasta el final solo asumiendo que el agujero no siga comiendo cosas grandes.. Si lo hace veías la evolución del universo solo hasta su próxima comida que ya te taparia la visión de todo

  21. lluís:

    Pero es que no hay nada, amigo Tomás que supere a la velocidad de la luz ( prescindamos ahora de los teóricos taquiones) nada escapa de un agujero negro, y el tiempo transcurre allí dentro tan lentamente que se puede decir que a efectos prácticos se detiene, por esto un observador exterior puede ver formado el horizonte de sucesos, mientras que un observador en el interior del agujero podría estar millones de años sin ver como se forma tal horizonte. JavierL. lo ha explicado bastante bien.

    De todos modos lo de “la pérdida de información” resuelto no está, la mecánica cuántica dice que no se debería perder información. Si un agujero negro consigue radiar algo ( radiación Hawking) debe ir perdiendo su masa hasta evaporarse, ya que las partículas radiadas se llevarían energía del AN, el AN a su vez perdería entropía y el universo la ganaría puesto que esa radiación tiene una mayor entropía fuera del AN que formando parte del propio AN.
    Pero si el AN radia partículas la información parece que se pierde o queda en muy mal estado, la MC prohibe la pérdida de información y la MC estaría en grave peligro, es lo que se conocer como “Paradoja de la Información”. La “solución” a la paradoja de la Información” llegó de la mano de Susskind y t’Hooft, al esbozar su “Principio Holográfico”, luego vino lo de los “muros de fuego” (con Hawking)idea que también se ha visto atacada y me parece que desmentida.

    En definitiva, con los AN todo es muy teórico aún, hay una cierta “guerra de los AN” y probablemente la astronomía multimensajero (ondas gravitacionales)dará respuestas a todo el embrollo sobre AN’s.

    Un saludo a todos.

  22. Miguel Ángel:

    Aunque la hipótesis de la radiación de Hawking sea cierta, estaríamos hablando de una pérdida de masa insignificante, que solo se pondría de manifiesto a lo largo de eones.

  23. tomás:

    No me toques los eones, amigo Miguel, que bastante follón tengo con la MC y con los AN. Lo pongo todo así para no asustarme con palabrotas enteras.

  24. tomás:

    Ahora me doy cuenta y recuerdo, amigo JavierL, haber estudiado y admitido eso en relación con los mesones que, calculado mediante la mecánica clásica no podrían alcanzar la superficie terrestre y, sin embargo lo hacen en la realidad y calculando con la TR.

  25. tomás:

    Bien, amigo Lluís, aquí puede haber una “piedra de toque”. Si estoy en cierto de que el tiempo es una percepción nuestra del aumento de entropía, en el interior de los AN, como mucho, pienso que no debería disminuir esta.

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