Sự sống dùng cơ học lượng tử hay chỉ tạo ra hành vi giống lượng tử?

Trong quang hợp, các hệ sắc tố và protein có thể biến gần như mọi photon hấp thụ thành năng lượng hóa học hữu ích. Hiệu suất ấy từng gợi ra một lời giải hấp dẫn: sự sống duy trì trạng thái lượng tử để tìm đường truyền năng lượng tốt nhất. Tuy nhiên, các kết quả sau đó cho thấy câu trả lời thận trọng hơn. Tế bào có thể không khai thác trạng thái lượng tử bền; những thành phần dao động và tương tác theo vật lý cổ điển cũng có thể cùng nhau tạo ra hành vi mang hình thức toán học giống lượng tử. [1]

Thế nào mới là “dùng” cơ học lượng tử?

Ở cấp hạt rất nhỏ, cơ học lượng tử luôn hiện diện. Chẳng hạn, một số hạt có thể xuyên qua rào cản năng lượng bằng hiệu ứng đường hầm lượng tử. Hiện tượng này có thể tham gia vào phản ứng enzyme, nhưng chưa trả lời câu hỏi khó hơn của sinh học lượng tử: cơ thể sống có giữ được sự kết hợp lượng tử đủ lâu để sử dụng nó như một nguồn lực hay không. “Có hiệu ứng lượng tử” và “chủ động khai thác trạng thái lượng tử” là hai mệnh đề khác nhau. [1]

Sự kết hợp lượng tử xuất hiện khi các trạng thái giữ quan hệ pha đủ ổn định để tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau. Vấn đề là trạng thái ấy rất mong manh. Nhiệt và các va chạm với môi trường gây mất kết hợp, khiến hệ trở lại hành vi cổ điển. Bên trong tế bào vừa ấm vừa nhiều nước, vô số phân tử luôn chuyển động và tương tác; đó không phải nơi thuận lợi để một trạng thái lượng tử kéo dài trên quy mô lớn. [1]

Vì sao quang hợp từng làm giới nghiên cứu hào hứng?

Khi photon chạm vào phức hợp thu nhận ánh sáng, năng lượng của nó kích thích một electron và tạo ra exciton, tức một chuẩn hạt ở trạng thái kích thích có thể truyền qua mạng sắc tố. Exciton cần tới trung tâm phản ứng, nơi năng lượng được chuyển thành dạng hóa học phục vụ quang hợp. Câu hỏi đặt ra là vì sao quá trình truyền này ít thất thoát đến vậy, dù mạng phân tử có nhiều lộ trình khả dĩ. [1]

Một giả thuyết cho rằng exciton duy trì sự kết hợp trên nhiều phân tử, nhờ đó có thể “thăm dò” đồng thời nhiều đường tới trung tâm phản ứng. Có thể hình dung một mê cung trong đó người đi không phải thử từng ngõ theo thứ tự, mà các khả năng cùng được xét rồi giao thoa để làm nổi bật lối hiệu quả. So sánh này chỉ diễn tả ý tưởng toán học; exciton không phải một người quan sát đang cân nhắc và lựa chọn có chủ đích. [1]

Các nhịp dao động năm 2007 thực sự nói lên điều gì?

Năm 2007, nhóm của Graham Fleming dùng các xung laser cực nhanh để kích thích rồi thăm dò một phức hợp thu nhận ánh sáng của vi khuẩn. Họ ghi nhận những nhịp dao động đồng bộ, khi ấy được diễn giải như dấu hiệu các exciton đang giao thoa nhờ sự kết hợp lượng tử. Các thí nghiệm tiếp theo, trong đó có công trình của Gregory Scholes, cũng quan sát những nhịp tương tự, kể cả ở nhiệt độ phòng. [1]

Việc xem xét kỹ hơn đã làm thay đổi cách hiểu. Những nhịp ấy phù hợp với cộng hưởng giữa các liên kết phân tử đang dao động hơn là sự kết hợp lượng tử lâu dài trên phạm vi rộng. Dao động phân tử vẫn có thể quan trọng đối với truyền năng lượng, nhưng nó không chứng minh rằng phức hợp quang hợp vận hành như một máy tính lượng tử. Đến nay, chưa có bằng chứng dứt khoát rằng sự kết hợp lượng tử kéo dài đảm nhiệm một chức năng sinh học. [1]

Hệ cổ điển bắt chước toán lượng tử ra sao?

Điểm then chốt trong hướng nghiên cứu mới của Scholes là nhiều bộ phận dao động có thể tạo thành trạng thái tập thể. Một đám đông vỗ tay là ví dụ minh họa: lúc đầu mỗi người giữ một nhịp, nhưng tương tác khiến cả nhóm dần đồng bộ. Không cá nhân nào có tính chất lượng tử, song trạng thái chung có pha, có khả năng cộng hưởng và có thể được biểu diễn bằng một cấu trúc toán học giàu hơn hành vi của từng phần riêng lẻ. [1]

Trong cơ học lượng tử, trạng thái được biểu diễn bằng vector trong không gian Hilbert. Scholes chỉ ra rằng một số mạng lưới bộ dao động cổ điển, nếu có cấu trúc kết nối thích hợp, cũng sinh ra các trạng thái tập thể có thể biểu diễn theo cách tương tự. Chúng thậm chí mô phỏng được dạng toán học của qubit, đơn vị lượng tử có hai trạng thái cơ sở và các tổ hợp của chúng. Tuy vậy, sự giống nhau nằm ở mô hình toán, không biến các bộ dao động thành hạt lượng tử. [1]

Hai hiện tượng có thể dùng chung một phương trình mà vẫn do những cơ chế hoàn toàn khác nhau tạo nên. Quỹ đạo của một vật được ném và đường cong của một đồ vật có thể cùng mang dạng parabol, nhưng điều đó không làm chúng trở thành cùng một quá trình vật lý. Tương tự, giao thoa, pha và phép cộng vector không thuộc riêng thế giới lượng tử; sóng cổ điển cũng có thể tăng cường hoặc triệt tiêu khi gặp nhau. [1]

Tiến hóa có thể đạt chức năng lượng tử mà không cần trạng thái lượng tử?

Nếu mạng sắc tố, protein hoặc tế bào được chọn lọc qua thời gian dài, cấu trúc của chúng có thể dần thực hiện tốt một chức năng mà toán học lượng tử cũng mô tả được. Điều này không có nghĩa tiến hóa “hiểu” phương trình hay nhắm tới một thiết kế định trước. Những biến thể hoạt động hiệu quả hơn có thể được giữ lại, còn kết quả cuối cùng tình cờ mang đặc tính tập thể giống một hệ lượng tử ở một số phương diện. [1]

Khả năng bắt chước cũng có giới hạn. Khi nhiều bit giống lượng tử được nối thành mạng lớn, lượng tài nguyên vật lý cần thiết tăng rất nhanh; mô phỏng hoàn hảo cổng logic lượng tử có thể đòi hỏi nguồn lực vô hạn. Vì thế, một hệ cổ điển có thể tái tạo vài đặc điểm như chồng chập toán học hoặc giao thoa mà không sở hữu toàn bộ năng lực của máy tính lượng tử, đặc biệt là khi quy mô tăng lên. [1]

Cách phân biệt hữu ích nhất không phải là hỏi một hiện tượng trông “kỳ lạ” đến đâu, mà là hỏi cơ chế nào tạo ra nó. Nếu trạng thái lượng tử thật sự được duy trì và đem lại chức năng, đó là sinh học khai thác cơ học lượng tử. Nếu các dao động cổ điển tạo nên cùng dạng toán học, ta đang thấy một hệ quantumlike, tức giống lượng tử. Quang hợp vì thế vẫn đặc biệt, nhưng điều đặc biệt có thể nằm ở cách mạng lưới phân tử phối hợp, không phải ở một máy tính lượng tử ẩn trong tế bào. [1]