L’efficienza dei processi biomolecolari naturali, come la fotosintesi, non è stata del tutto chiarita dalla teoria classica. Il progetto PAPETS, finanziato dalla Unione Europea, ha studiato gli effetti e le possibilità del calcolo quantistico.
Average running time of the quantum spatial search algorithm as a function of τ for Gtemp(200,0.06,τ) (in blue dots) and Gtemp(200,0.1,τ) (in red squares). Each point is averaged over 100 realizations. As predicted, the average running time peaks at τ∼1, when the temporality coincides with the energy scale of the search Hamiltonian. Away from this peak, the average running time decreases gradually towards the optimal running time (indicated by the solid line).
Gli autori sottolineano che era già stato dimostrato che il calcolo quantistico avrebbe offerto dei vantaggi, velocizzando le attività di ricerca all’interno di reti, al di sopra di una determinata soglia di connettività nodale. Hanno anche, però, dimostrato che al di sotto di questa soglia di connessioni, il vantaggio quantistico non è più presente.
Nello studio, è stata continuamente randomizzata la disposizione della rete, e cambiate anche il numero delle connessioni, mentre è stato mantenuto costante il numero di nodi. Si è così scoperto che, a prescindere dal grado di connettività, l’algoritmo di ricerca quantistico trovava sempre «una frequenza» su cui disporre nuovamente la rete, per individuare il nodo marcato. Un’altra scoperta interessante è stata quella scaturita dall’introduzione di un errore sistematico, ottenuto impostando una connettività molto bassa di nodi, molti dei quali isolati dal resto della rete, per i quali l’algoritmo ha creato nuove disposizioni della rete e a un ritmo più veloce per compensare.
I risultati della ricerca erano in contrasto con le previsioni, secondo le quali quando si cerca di trovare un nodo marcato in una rete, sia essa sociale, naturale o tecnologica, l’algoritmo di ricerca quantistico potrebbe avere dei problemi per la natura mutevole della rete (perdendo e/o acquisendo collegamenti nel tempo). Di fatto, i risultati dimostrano che questa caratteristica temporale può essere utilizzata per controllare le prestazioni del calcolo. Il gruppo di ricerca prevede che questo studio avvantaggerà le tecnologie informatiche quantistiche per la comunicazione e il calcolo, ma contribuirà anche alla comprensione dei processi biologici.
Ricadute quantistiche sulla Biologia
Average running time of the quantum spatial search algorithm on Gtemp(50,0.0008,τ) (dots) as a function of τ. Each point is averaged over 50 realizations. Note that p=2/n2, and even then, for small enough τ, the algorithm runs in optimal time (solid line). As τ is increased, the algorithmic running time increases.
Summary of analytical results: thresholds of τ above or below which the quantum spatial search algorithm on a random temporal network of n nodes is optimal for a given range of p.
Inoltre, lo studio ha esaminato il modo in cui gli effetti quantistici potrebbero favorire la capacità olfattiva dalle molecole di riconoscere gli odori, attraverso un processo noto come “tunnel quantistico”, che aiuta una molecola olfattiva a unirsi con un recettore. Questa comprensione offrirà la possibilità di sviluppare tecnologie per il rilevamento degli odori che potrebbero, ad esempio, individuare eventuali pericoli negli alimenti o nell’acqua