Primera cuantificación rigurosa de entrelazamiento cuántico en un sistema biológico.

Investigadores de la Universidad de California en Berkeley, encabezados por Mohan Sarovar, han conseguido demostrar que unas moléculas que intervienen en la fotosíntesis pueden permanecer entrelazadas cuánticamente incluso a temperaturas ordinarias. Se trata de la primera cuantificación rigurosa de entrelazamiento en un sistema biológico. Los resultados han sido remitidos a Nature Physics para su publicación, mientras tanto están disponibles en arXiv.

Los físicos están fascinados con el entrelazamiento, ese extraño fenómeno cuántico en el que distintos objetos comparten la misma existencia, independientemente de la distancia que les separe. Pero en sus trabajos para estudiar y explotar el entrelazamiento para el procesamiento de la información, los físicos lo han encontrado frágil y fácilmente destruible. Esta fragilidad parece que limita las posibilidades de que el entrelazamiento pueda tener un uso técnico alguna vez.

Pero últimamente está aflorando un nuevo aspecto del entrelazamiento en otro tipo de experimentos. Por ejemplo, los físicos han encontrado la firma del entrelazamiento en los estados térmicos de materiales, no sólo partículas, a bajas temperaturas. Esto tiene enorme implicaciones para los sistemas biológicos: si el entrelazamiento es más robusto de lo que se pensaba, ¿qué papel podría jugar en los seres vivos?

El complejo Fenna-Matthews-Olson (FMO) es un compuesto de coordinación soluble en agua que fue el primer complejo pigmento proteína cuya estructura fue caracterizada por espectroscopía de rayos X. Está presente en las bacterias verdes del azufre, un pequeño grupo de bacterias que realizan la fotosíntesis anoxigénica (al contrario que las plantas, por ejemplo, no producen oxígeno). La función del FMO es mediar en la transferencia de la energía de excitación desde los clorosomas a los centros de reacción fotosintética que están incrustados en la membrana.

El equipo de Sarovar estableció métodos de cuantificación del entrelazamiento de los componentes del sistema de recogida de luz, estableciendo condiciones necesarias y suficientes para poder hablar de presencia de entrelazamiento y derivando un sistema para medir el entrelazamiento global. Todos estos métodos se aplicaron a la proteína FMO con objeto de averiguar las dependencias del estado inicial y de la temperatura del entrelazamiento en las moléculas de este compuesto. Los investigadores establecieron que una pequeña cantidad de entrelazamiento de largo alcance y multipartito existe incluso a temperaturas fisiológicas. Esto constituye la primera cuantificación rigurosa del entrelazamiento cuántico en un sistema biológico.

Los científicos señalan que estas moléculas no parece que saquen provecho del entrelazamiento. Simplemente, el entrelazamiento sería sólo una consecuencia de la coherencia electrónica. Esta afirmación puede ser controvertida para algunos y serán necesarias pruebas algo más sólidas que las meramente circunstanciales para que sea aceptada ampliamente.

Si este descubrimiento se confirma y se considera correcto, las implicaciones son gigantescas para la bioquímica cuántica, para el procesamiento cuántico de la información y, posiblemente, para la neurociencia.

Para la bioquímica cuántica porque se pueden basar en este entrelazamiento mediciones mucho más precisas de lo que ocurre en las moléculas durante la fotosíntesis usando varias técnicas metrológicas diseñadas para la física. A posteriori, este conocimiento podría ser útil en el diseño de mejores sistemas colectores de energía solar.

Si lo anterior estaría muy bien, lo que sigue ya parece de ciencia ficción: estas moléculas podrían usarse para el procesamiento cuántico de la información a temperatura ambiente: ordenadores cuánticos fotosintéticos.

Finalmente, si el entrelazamiento cuántico juega un papel en la fotosíntesis, ¿por qué no también en otros órganos biológicos importantes? ¿Se te ocurre un órgano en el que el entrelazamiento pudiera ser útil?

[En la imagen, estructura del FMO: en rojo magnesio, en verde bacterioclorofila, en gris proteína]

Referencia:

Mohan Sarovar, Akihito Ishizaki, Graham R. Fleming, & K. Birgitta Whaley (2009). Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes Nature Physics arXiv: 0905.3787v1