فوتوسنتز، برگی از کتاب کوانتم

[Rez@ee]

رایانه های کوانتمی و برگهای چمن بیش از آنچه تصورکنید به هم شباهت دارند. فیزیکدانان ایالت متحده نشان داده اند که الکترونهایی که در عمل فوتوسنتز شرکت می کنند سطوح انرژی مختلفی دارند که بسیار شبیه الگوریتم جستجوی رایانه های کوانتمی در پایگاه داده های دسته بندی نشده است (حداقل به صورت نظری). پژوهشگران ادعا می کنند که این کشف می تواند چگونگی کارکرد فوتوسنتز در سلولهای خورشیدی مصنوعی با بازده ی ناموازی را توجیه کند. مهمترین واکنش شیمیایی روی زمین فوتوسنتز است که به گیاهان اجازه می دهد که انرژی خورشیدی را به وسیله ی تبدیل کردن کربن و آب به کربوهیدراتهای پر انرژی مهار کنند. فوتوسنتز بیشتر در مولکولهای سبزینه (کلوروفیل) رخ می دهد. این مولکولها به گونه ای مرتب شده اند که با مولکولهای مجاورشان سطوح انرژی مختلفی دارند. وقتی که نور به یکی از این مولکولها بتابد یک الکترون به صورت لحظه ای برانگیخته می شود و سپس انرژی خود را به مولکول مجاور خود می دهد که سطح انرژی آن اندکی متفاوت است. به این شیوه انرژی می تواند از یک سطح بالاتر به سطح پایین تر سرازیر شود تا زمانی که به مرکز واکنش برسد یعنی جایی که فوتوسنتز واقعی رخ می دهد. پیشتر دانشمندان فرض کرده بوده اند که انرژی به صورت تصادفی سرازیر می شود یعنی اینکه اصولاً پرشی ناهمدوس بین سطوح انرژی وجود دارد ولی این سازوکار توجیه نمی کند که انرژی خورشیدی چگونه با سرعت بالایی به مرکز واکنش می رسد و در آنجا به فوتوسنتز اجازه می دهد که با بازده ی بیشتر از 95% داشته باشند. شاید بتوان گفت که جرجی انگل و همکارانش از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی هم اکنون پاسخ مناسبی به این پرسش داده اند و آن این است که این کار کاملاً با مکانیک کوانتمی انجام می شود. گروه آمریکایی با بینابنمایی الکترونی دو بعدی از سطوح انرژی الکترون در یک رشته ی سبزینه نقشه برداری کردند. آنها سیگنالهای نوسانی منظمی را کشف کردند که برای صدها فمتوثانیه ادامه داشت که فیزیکدانان از آن به زنش کوانتمی تعبیر می کنند که به صورت همدوس تمام سطوح انرژی را به هم ارتباط می دهد. انگل می گوید: "این بدان معناست که با برانگیختگی می توان بدون هدر دادن انرژی در طی پرشهای تصادفی مسیر بهینه ی منتهی به مرکز واکنش را یافت. در اثر این برانگیختگی الکترون می تواند حس کند که کدامیک از این حالتها را طی کند بدون آنکه مجبور باشد هر کدام را به طور جداگانه طی نماید. " در طرف دیگر در سال 1997 "لاو گراور"، دانشمند علوم رایانه، روش مشابهی ارایه داد که به الگوریتم گراور مشهور شد. وی اثبات کرد این روش می تواند سریعترین جستجوی ممکن را در بین داده های دسته بندی نشده در محاسبات کوانتمی را انجام دهد. او توضیح می دهد در این مورد (فوتوسنتز) انرژی، مسیری را جستجو می کند تا به جایی برسد که مفید باشد. به هر حال برخی ممکن است نسبت به نتایج انگل تردید داشته باشند چرا که این آزمایشها در دمای K77 انجام شده است. فیزیکدانان با این کار، در رفتار الکترون اغراق کرده اند تا بتوانند آزمایش را راحتتر نشان دهند. اما آنها اسرار دارند که فرایند مبادله ی انرژی در دماهای مساعدتر نیز همین گونه باقی خواهد ماند. سنش می گوید: "من متقاعد نشده ام که این اتفاق در دماهای دیگر بیفتد. همه چیز در دماهای پایین منسجم است، بنابراین احتمال ناهمدوسی کمتر است. در هرحال این مطلب باید نشان داده شود. " برگردان: جمالپور فیزوب http://physicsworld.com/cws/article/news/27582