Kuantum kontrol algoritması kuşların nasıl göç ettiğini açıklamaya çalışıyor

Kuantum mekaniğinin gizli dünyası, canlı organizmalardan çok daha küçük ölçeklerde mevcuttur, ancak bilim adamları uzun süredir kuantum etkilerinin biyolojide önemli bir rol oynadığını teorileştirmişlerdir. Kuşların göç sırasında manyetik alanları algılama yeteneği, bu alandaki en iyi bilinen gizemlerden biridir ve önde gelen teoriler, bu algılamanın kuantum dolaşıklığından yararlanılarak elde edilebileceğini öne sürmektedir.

Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’ndeki (OIST) araştırmacılar, kuantum sistemlerinin en iyi nasıl kontrol edileceğine dair matematiksel bir prensibi kanıtlayarak, bu kuş hipotezini nihayet teste tabi tutmanın yanı sıra kuantum hesaplama için yeni biyolojik platformların kilidini açmaya yönelik sondan bir önceki adımı atmış oldular. Sonuçları dergide yayınlandı Kuantum.

OIST Analiz ve Kısmi Diferansiyel Denklemler Birimi başkanı Uğur Abdulla şöyle açıklıyor: “Birçok araştırmacı kuantum etkilerini ve bunların biyolojideki rolünü inceledi, ancak bir fikir veya hipotezi laboratuvar deneyine dönüştürmek her zaman kolay değildir. Kuantum olaylarını kontrol etmek için matematiksel temelleri atarak, kuantum biyolojisindeki bu fikirlerden bazılarını teorik alandan laboratuvara getirebileceğimizi umuyoruz.”

Kuantum dolaşıklığın navigasyon için nasıl kullanılabileceğini araştırmanın zorluğu

Kuantum biyolojisi ile ilgili soruları yanıtlamak kolay bir iş değildir. Abdulla, “Kuantum etkileri yalnızca organizmaların makroskobik boyutundan çok daha küçük olan küçük ölçeklerde geçerlidir. Bu etkileşimler aynı zamanda inanılmaz derecede hızlı gerçekleşir ve en gelişmiş deneylerde bile tespit edilmesi oldukça zordur” diyor.

Kuşların manyetik algılamasına ilişkin kuantum hipotezi yaklaşık 50 yıl önce öne sürülmesine rağmen, henüz bunun lehine veya aleyhine kesin deneysel kanıtlar mevcut değildir.

Magnetoreception hipotezi, biyokimyasal reaksiyonun hızının harici bir manyetik alana bağlı olabileceği fikrine odaklanır. Biyokimyasal reaksiyonlar tamamen elektronların bağ oluşturacak şekilde yeniden düzenlenmesiyle ilgilidir; ancak bağlanmamış veya “radikal” elektron çiftleri bile kuantum spinde kodlanan manyetik özellikleri aracılığıyla dolanabilir ve birbirleriyle etkileşime girebilir.

Bir radikal çift içindeki bu manyetik alanların zıt veya aynı yönde olup olmadığı, durumların tutarlılığını ve kararlı bağların oluşma hızını etkiler.

Dış manyetik alanlar, zayıf olanlar bile, bir durumun ne kadar tutarlı olduğunu etkileyebilir; bu da kuşların teorik olarak biyokimyasal reaksiyondan elde edilen ürün konsantrasyonunu Dünya’nın manyetik alanını algılamak için kullanabileceği anlamına gelir.

İster bir kuşun navigasyonu ister kuantum hesaplama algoritması olsun, bir kuantum sistemini kontrol etmek için manyetik alanın nasıl kullanılabileceğini anlamak, kuantum optimal kontrol teorisinin kapsamına girer.

Abdulla, “Burada uğraştığımız sorun, harici kontrol kullanarak bir kuantum sistemini bir durumdan diğerine nasıl getirdiğinizdir. Bu, herhangi bir yeni kuantum teknolojisi geliştirmedeki temel sorundur ve kuantum biyolojisini anlamanın merkezinde yer alır” diyor.

Manyetik alanları kullanarak optimal kuantum kontrolü için bir tarif

Abdulla ve meslektaşları daha önce manyetik alandaki dönüşler için Pontryagin Maksimum Prensibi’ni (PMP) kanıtladılar; bu prensip, maksimum düzeyde tutarlı bir durum yaratmak için uygulanan manyetik alanın aniden aşırı değerler arasında geçiş yaptığı bir “bang-bang optimizasyonu” yaklaşımı kullanılması gerektiğini belirtiyor.

Bu prensip, karmaşık dinamik sistemler alanından kaynaklanır ve günlük yaşamda bile görülebilir: Bir arabayı A noktasında hareketsiz halden tam olarak B noktasında durdurmak için sürerken, en hızlı strateji, gaz pedalına bir süre sonuna kadar basmak ve ardından araç durana kadar frene basmaktır.

Abdulla, “Bu prensibin, günlük yaşamdan kuantum dünyasına kadar bu kadar çeşitli sistemlerde temel olarak kalması dikkat çekicidir” diyor.

Ancak bir arabayı bu şekilde sürmenin oldukça zor olması gibi, kuantum zaman ölçeklerinde bang-bang elektromanyetik alanlar oluşturmak da büyük teknik zorluklara yol açıyor.

Abdulla, Jose Rodrigues (OIST) ve Jean-Jacques Slotine (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü) ile birlikte, mükemmel derecede optimal olmasa da deneysel ve biyolojik olarak mümkün olabilecek başka kontrol tekniklerinin olup olmadığını öğrenmekle ilgileniyorlardı.

Sundukları matematiksel kanıt, PMP’nin kuantum sisteminin gerçekçi, sürekli manyetik alanlara sahip olacak şekilde değiştirilmiş bir versiyonu için geçerli olduğunu gösteriyor. Ayrıca, manyetik alanların kontrol edilmesine yönelik deneysel olarak uygulanabilir bu teknik, gerçek optimumun %1’i dahilinde tutarlı bir durum üretebilir.

Bu matematiksel çerçeve, ister kuşların nasıl göç ettiğini anlamak, ister yarının kuantum bilgisayarlarını oluşturmak olsun, laboratuvarda optimuma yakın kontrollü kuantum sistemleri oluşturabilecek deneysel çalışmaların temelini oluşturuyor.

Abdulla, “Bu genel matematik prensibini kuantum sistemlerine kadar genişlettik ve sonuç olarak artık bir deneyciye, bu kontrol tekniğini test etmek için manyetik alanı nasıl kullanmanız gerektiğini tam olarak anlatabiliyoruz” diyor. “Deneysel çalışmalara rehberlik edecek böyle bir matematiksel prensibi ortaya çıkarmak çok heyecan verici ve ödüllendirici.”

Ancak bu matematikçilerin işinin bittiği anlamına gelmiyor. “Matematiksel model bir karikatürdür; sistemin sadece en önemli olduğunu düşündüğümüz birkaç yönüne ışık tutarız. Görüşümüzde bazı kusurlar olacaktır, ancak bu yalnızca ilk aşamadır; böyle bir modeli geliştirmek, karikatürümüzü geliştirmek ve onu giderek daha fazla gerçekliğin bir portresi haline getirmek için her zaman yer vardır.”