Físicos utilizan simulación cuántica para descifrar mecanismos de la fotosíntesis

Un equipo internacional integrado por físicos de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Rusia MISIS (NUST MISIS), el Centro Cuántico de Rusia, la Universidad de Karlsruhe y la Universidad de Maguncia, Alemania, ha conseguido imitar procesos que podrían ayudar a descifrar los mecanismos de la fotosíntesis

Por fotosíntesis se entiende por lo general el conjunto de los procesos de absorción, conversión y utilización de la energía de la luz en distintas reacciones, en particular la transformación de dióxido de carbono en sustancias orgánicas con la liberación de oxígeno. Debido a la disminución del número de plantas en la Tierra, la fotosíntesis artificial es un objetivo que está actualmente en el orden del día. Pero para imitar un proceso lo primero que hay que hacer es comprenderlo.

Sin embargo, este problema resultó ser todo un rompecabezas, y algunos de sus interrogantes van más allá de la capacidad de los ordenadores del mundo entero. Es por ello que los investigadores optaron por realizar la simulación con ayuda de ordenadores cuánticos. El estudio se describe en un artículo publicado en la revista Nature Communications.

"Al ser absorbida por la materia, la luz interactúa con las vibraciones de los enlaces atómicos en las moléculas, incluyendo aquellas responsables de la fotosíntesis. Las propiedades de estas vibraciones permiten a las moléculas "hacer acopio" de grandes cantidades de cuantos de luz, es decir, de la energía. También sabemos que en el proceso de la fotosíntesis se absorbe el cuanto de luz (unidad mínima de medida de energía de las ondas electromagnéticas), el fotón, y su energía se absorbe casi por completo al interactuar con la materia. La eficiencia energética de este proceso supera el 50%. "Es un proceso sumamente eficiente que convierte energía lumínica en energía que se almacena en la materia", explica Alexey Ustinov, director del laboratorio de Metamateriales Superconductores de la NUST MISIS y responsable del equipo del Centro Cuántico de Rusia.

En este caso se tomó como unidad de información del ordenador cuántico el átomo artificial cúbit, que se comporta como una partícula y tiene la misma estructura a nivel cuántico. Pero su estructura (y, por tanto, las propiedades físicas) admite cambios instantáneos, en particular en lo que respecta a la distancia entre los niveles energéticos, o la cantidad de energía necesaria para que el átomo artifical cambie de nivel. Un requisito indispensable para las mediciones cuánticas es una temperatura baja, que se mantuvo en 20 milikelvin (casi cero absoluto). Este frío extremo es necesario para que las oscilaciones térmicas no impidan observar los procesos mecánico-cuánticos.

El término "superconductor" significa que la resistencia eléctrica del material del cúbit es nula a una temperatura inferior a ciertos valores. Esto también es necesario para neutralizar el exceso de movimiento de los electrones. Para tomar lectura de los estados de los cúbits (es en lo que se basa el método de cálculo de los ordenadores cuánticos) se utilizó la variación de la frecuencia de la luz.

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El sistema, que tiene sólo un fotón y una estructura de dos niveles, es decir un átomo artificial, puede ser calculado con un ordenador convencional. Pero en la vida real los fotones son muchos y pueden interactuar con varios sistemas artificiales, y sólo una computadora cuántica permite realizar cálculos de un sistema complejo similar al proceso de la fotosíntesis natural.