Forschern schaffen Quantenverschränkungen aus biologischen Systemen!

Mit grün fluoreszierenden Proteinen, gewonnen aus Escherichia coli (Kolibakterium/Darm), haben Forscher aus einem biologischen System quantenmechanische Effekte gezeigt, und das übrigens zum ersten Mal!

Vor fast 75 Jahren fragte sich der Nobelpreisträger Erwin Schrödinger, ob die geheimnisvolle Welt der Quantenmechanik in der Biologie eine Rolle spielt. Ein kürzlich an der Northwestern University von Prem Kumar gefundenes Ergebnis fügt weitere Beweise hinzu, dass die Antwort “ja” sein könnte.

Kumar (Foto) und sein Team haben zum ersten Mal Quantenverschränkungen aus einem biologischen System geschaffen. Dieser Befund könnte das fundamentale Verständnis der Biologie für Wissenschaftler fördern und potentiell Türen öffnen, um biologische Werkzeuge zu nutzen, um neue Funktionen durch Nutzung der Quantenmechanik zu ermöglichen.

„Können wir Quantenwerkzeuge anwenden, um etwas über Biologie zu lernen?“ fragte Kumar, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Northwestern McCormick School of Engineering und der Weinberg College of Arts and Sciences. „Die Leute haben diese Frage viele Jahre lang gestellt – aus der Zeit der Quantenmechanik. Wir sind an diesen neuen Quantenzuständen interessiert, weil sie Anwendungen ermöglichen, die sonst unmöglich wären.“

In der Studie, veröffentlicht am 5. Dez. in Nature Communications, verwendete Kumars Team grüne fluoreszierende Proteine, die für die Biolumineszenz verantwortlich sind und häufig in der biomedizinischen Forschung verwendet werden. Das Team versuchte die von den fluoreszierenden Molekülen erzeugten Photonen in der tonnenförmigen Proteinstruktur der Algen zu verwickeln, indem sie sie einer spontanen Vierwellenmischung aussetzten, ein Prozess, bei dem mehrere Wellenlängen miteinander wechselwirken, um neue Wellenlängen zu erzeugen.

Durch eine Reihe dieser Experimente demonstrierten Kumar und seine Mannschaft erfolgreich einen Typ der Verschränkung, genannt “Polarisationsverwicklung” zwischen Photonenpaaren. Die gleiche Funktion wird verwendet um eine Brille zum Betrachten von 3D-Filmen herzustellen; Polarisation ist die Orientierung von Schwingungen in leichten Wellen. Eine Welle kann vertikal, horizontal oder in verschiedenen Winkeln schwingen. In Kumars verschränkten Paaren sind die Polarisationen der Photonen verschränkt, was bedeutet, dass die Schwingungsrichtungen der Lichtwellen miteinander verknüpft sind. Kumar bemerkte auch, dass die tonnenförmige Struktur, die die fluoreszierenden Moleküle umgab, die Verschränkung davor schützte, gestört zu werden.

Fazit!

Nachdem sie nun gezeigt haben, dass es möglich ist, Quantenverschränkungen aus biologischen Partikeln zu erstellen, planen Kumar und sein Team ein biologisches Substrat aus verschränkten Teilchen herzustellen, das zum Bau einer Quantenmaschine verwendet werden könnte. Dann werden sie versuchen zu verstehen, ob ein biologisches Substrat effizienter funktioniert als ein synthetisches.

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Ref.:

1. Siyuan Shi, Prem Kumar, Kim Fook Lee. Generation of photonic entanglement in green fluorescent proteins. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02027-9

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