Изменения в результате утери запутанности на расстоянии и во времени
Предисловие: Созерцая звездный свет
Представьте себе фотон, испущенный далекой звездой. Условно предположим, что этот фотон был запутан с неким компонентом внутри сложной системы звезды. Когда астрономы на Земле наблюдают этот фотон, фактически проводя измерение, это состояние запутанности разрушается. Предлагаемая нами теоретическая основа предполагает, что этот коллапс может вызвать едва уловимую рябь изменений внутри самой звезды, изменяющую внутренние корреляции. Эта аналогия, хотя и отдаленная по масштабу, намекает на то, что разрушение запутанности, даже на огромных расстояниях и временных промежутках, может потенциально влиять на поведение сложных систем.
Аннотация
В настоящей работе предлагается теоретическая основа, постулирующая, что разрушение квантовой запутанности внутри сложной системы может вызвать обнаружимые изменения. Мы сосредоточимся на биомолекулярных сетях, где явления, подобные запутанности, могут тонко влиять на динамику [1, 2]. Излагается гипотетический эксперимент: запутывание фотона с биомолекулярной системой с последующим разрушением состояния посредством измерения. Мы ожидаем тонкие, малозаметные изменения, когда система адаптируется к утере ограничений, вызванных запутанностью. Успех теории может бросить вызов нашему фундаментальному пониманию роли запутанности в сложных системах и потенциально обеспечить новые механизмы сканирования.
Введение
Квантовая запутанность является краеугольным камнем квантовой механики, но обычно изучается в строго контролируемых условиях. Тем не менее, теоретические и экспериментальные работы показывают, что корреляции, подобные запутанности, могут сохраняться в динамических системах под воздействием шумов [1, 2]. В настоящей работе предлагается, что разрушение запутанности в сложной системе, такой как биомолекулярная сеть, может привести к обнаружимым изменениям в поведении системы. Эти изменения дают возможность рассмотреть сложные системы под иным углом и пролить свет на взаимосвязь между квантовыми явлениями и биологическими процессами.
Теория изменений в сложных системах, обусловленных запутанностью
Основное предположение
Мы выдвигаем гипотезу о том, что разрушение квантовой запутанности в сложной системе может привести к обнаружимым изменениям в поведении системы, таким как изменения стационарных состояний, статистических распределений или моделей корреляции.
Запутанность в сложных средах
Несмотря на внутреннюю сложность, корреляции, подобные запутанности, могут устанавливать тонкие ограничения внутри биомолекулярных систем [1, 2]. Резкое разрушение запутанности, вызванное взаимодействием с запутанным партнером, оборвет эти корреляции. Это может привести к наблюдаемым сдвигам в динамике системы по мере того, как внутренние ограничения и схемы информационных потоков будут реконфигурированы.
Механизм изменений
Несколько потенциальных механизмов, действующих согласованно, заслуживают изучения:
- Информационные ограничения: Запутанность обеспечивает информационный канал. Разрушение может привести к временному изменению распределения информации внутри биомолекулярной сети, что проявится в измеряемых вторичных эффектах.
- Термодинамическая аналогия: Хотя и не является прямой аналогией, коллапс запутанности можно уподобить внесению неравновесного возмущения в сложную систему, что может привести к наблюдаемым флуктуациям или сдвигам в статистических величинах по мере того, как система движется к новому равновесию.
- Скрытые состояния: Запутанные подсистемы ведут себя так, как будто они имеют уменьшенные степени свободы. После коллапса запутанности система может претерпеть временное переформатирование доступных состояний, изменяя измеряемые свойства.
Гипотетический эксперимент
[Упрощенная диаграмма: Биомолекулярная сеть с одним выделенным элементом -> запутанный фотон -> измерение -> сеть со знаком вопроса, означающим потенциальное изменение.]
Сложная система: Кинетическая сеть ферментов
Предлагается исследовать хорошо охарактеризованную сеть ферментов, участвующих в метаболическом пути. Такие сети демонстрируют сложную регуляторную обратную связь и потенциально чувствительны к локализованным возмущениям.
Генерация запутанности
В качестве зонда будут использоваться запутанные фотоны. Один фотон из запутанной пары будет направлен к определенному ферменту в сети. Состояние поляризации фотона будет зависеть от локализованной конформации или потенциала реакции фермента. Запутанный партнерский фотон остается изолированным.
Разрушение запутанности
Коллапс запутанности будет индуцирован посредством проективного измерения (например, измерения поляризации) на изолированном запутанном фотоне.
Обнаружение
- FRET: Присоединение FRET-совместимых флуорофоров к определенным энзимам может выявить тонкие, едва заметные корреляционные изменения, вызванные разрушением запутанности.
- Ультрабыстрая спектроскопия: Эта техника может отследить потенциальные изменения в кинетике реакции или спектре абсорбции сети энзимов после коллапса запутанности.
Контрольные измерения
Эксперимент будет сочетать разрушение запутанности со сценариями, где запутанное состояние остается неизменным. Кроме того, контрольные измерения будут включать в себя индукцию схожих локальных возмущений в ферментной сети, но не квантовыми методами. Это позволит выделить эффекты, обусловленные именно коллапсом запутанности.
Потенциальные последствия
Устойчивость запутанности
Данная работа может бросить вызов общепринятым представлениям о хрупкости запутанности, демонстрируя, как она может влиять даже на сложные биологические системы [3].
Новый механизм зондирования
Использование разрушения запутанности в качестве зонда может обеспечить беспрецедентную чувствительность для изучения сложных сетей, от клеточных путей до искусственных систем.
Интерфейс квантовой биологии
Ожидаемый успех исследования сможет укрепить концепцию о том, что квантовые явления могут играть нетривиальную роль в биологических процессах и других сложных процессах [4, 5].
Список использованных источников:
[1] Chia, A., Forbes, A., van Bijnen, R. M. W., & Bellini, M. (2018). Выживание квантовых корреляций в кооперативной динамике. Physical Review E, 97(6), 062409.
[2] Kual Bakhshi, S., & Franz, A. (2019). Структура квантовых корреляций в открытых квантовых системах. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 536, 122544.
[3] Salari, V., Tuszynski, J. A., Rahnama, M., & Bernroider, G. (2011). Квантовая интерференция и селективность через биологические ионные каналы. Physical Review E, 83(1), 011901.
[4] Marais, A., Adams, B., Ringsmuth, A. K., Ferretti, M., Gruber, J. M., Hendrikx, R., … & Plenio, M. B. (2018). Будущее квантовой биологии. Journal of the Royal Society Interface, 15(148), 20180640.
[5] Arndt, M., Juffmann, T., & Vedral, V. (2009). Квантовая физика встречается с биологией. HFSP journal, 3(6), 386-400.
#gemini
Entanglement-Driven Changes through space and time | by Seva Lapsha | Mar, 2024 | Medium