ДНК - идеальный квантовый компьютер, основанный на принципах квантовой физики

ДНК функционирует как квантовый биокомпьютер, использующий явления запутанности и туннелирования для передачи и обработки информации с поразительной точностью. К такому выводу приходит исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports. Эта работа предлагает радикально новый взгляд на молекулу жизни, которая может быть не просто пассивным носителем генетического кода, а активной квантовой вычислительной системой, работающей при комнатной температуре.

Ключевые механизмы квантового биокомпьютера

В основе исследования лежит комбинация теоретических моделей и известных физических принципов, которые, по мнению авторов, работают внутри двойной спирали:

1. Квантовая запутанность в базовых парах. Аденин (А) и тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц) образуют пары не только благодаря химическим водородным связям. Учёные предполагают, что их электронные облака находятся в состоянии квантовой запутанности. Это означает, что состояние одного основания мгновенно коррелирует с состоянием его пары, даже если их условно "разделить". Это создаёт защищённый канал для передачи квантовой информации (кубитов) вдоль спирали с минимальными потерями.

2. Спин-зависимое туннелирование протонов. Водородные связи, удерживающие вместе пары оснований, — это не статичные "распорки". Протоны (ядра атомов водорода) в этих связах могут квантово туннелировать — то есть с определённой вероятностью "просачиваться" через энергетический барьер из одного положения в другое. Более того, этот процесс зависит от спина протона (его внутреннего квантового момента). Разные спиновые состояния могут кодировать логические "0" и "1", а туннелирование позволяет этим кубитам переключаться и обрабатываться — подобно логическим вентилям в квантовом компьютере.

3. Фотонная связь и энергетические ловушки. Модель предполагает, что для координации вычислений между разными участками ДНК используется обмен фотонами (частицами света) внутри спирали. Специфическая структура ДНК может действовать как волновод, удерживающий эти фотоны и создающий "энергетические ловушки", которые помогают поддерживать когерентность (согласованность квантовых состояний) — главный вызов для любых квантовых вычислений.

Сравнение с существующими технологиями

Чтобы оценить потенциал этой концепции, полезно сравнить её с создаваемыми сегодня квантовыми системами:

Что это может объяснить и какие вопросы ставит

Если эта модель верна, она предлагает объяснение некоторым самым большим загадкам биологии:

• Невероятная надёжность и плотность хранения информации. Квантовая память могла бы обеспечить устойчивость генетического кода и его способность хранить огромные объёмы данных.

• Скорость и точность клеточных процессов. Квантовые вычисления могли бы объяснить, как сложные операции (например, поиск и исправление ошибок в ДНК, сворачивание белков) происходят с недостижимой для классических химических реакций скоростью и точностью.

Однако эта теория, будучи новаторской, сталкивается со скептицизмом в научном сообществе. Главный аргумент критиков — декогеренция. Квантовые эффекты, как правило, крайне хрупки и разрушаются любыми тепловыми колебаниями или взаимодействиями с окружающей средой ("шумом"). Шумная, тёплая и влажная среда живой клетки считается идеальным убийцей квантовых состояний. Авторы исследования утверждают, что уникальная структура ДНК сама по себе может подавлять декогеренцию, но прямых экспериментальных доказательств этого пока недостаточно.

Экспериментальные пути вперёд

Чтобы перевести эту теорию из области гипотез в область доказанных фактов, потребуются эксперименты, способные обнаружить квантовые эффекты в работающей ДНК:

• Измерение времени когерентности спинов протонов в водородных связях ДНК при физиологических условиях.

• Попытки зафиксировать квантовую запутанность между конкретными парами оснований.

• Наблюдение за передачей информации по ДНК, которая была бы невозможна без квантового туннелирования.

Таким образом, данное исследование не утверждает, что ДНК точно является квантовым компьютером. Оно строит строгую теоретическую модель, показывающую, что физических запретов для этого нет, и предлагает конкретные механизмы, как это могло бы работать. Это приглашение к новой междисциплинарной области исследований на стыке квантовой физики, молекулярной биологии и информатики, которая может в корне изменить наше понимание жизни на самом фундаментальном уровне.