Физики оценили роль квантовой когерентности в работе птичьего компаса

Британские физики численно исследовали влияние эффектов когерентности на точность химического компаса на основе электронных спинов в радикальных парах. Предполагается, что именно так устроена чувствительность к магнитному полю у перелетных птиц. Расчеты для большого числа ядерных спинов выявили связь глобальной когерентности всей системы с точностью компаса. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Квантовая когерентность и квантовая запутанность стали теми физическими явлениями, на которых основаны квантовые технологии, включая квантовые вычисления. Со временем появилось предположение, что зачатки квантовости также могут усиливать биологические процессы в живых системах. Созданная таким образом квантовая биология изучает роль долгоживущей когерентности в фотосинтезе и чувствительности к магнитному полю Земли.

Так, одной из гипотез, объясняющей магниточувствительность перелетных птиц и других мигрирующих животных, стало образование в белках криптохромах радикальных пар с двумя неспаренными электронами под действием синего цвета. Мы уже писали про то, как физики продемонстрировали работоспособность химического компаса на основе этого механизма в магнитных полях, сопоставимых с земными. Тем не менее, среди ученых все еще ведется дискуссия о роли электронной когерентности в магниточувствительности на основе радикальных пар.

Группа физиков из Университета Эксетера под руководством Дэниела Каттнига (Daniel Kattnig) провела симуляцию работы химического компаса на основе электронных спинов в радикальных парах, чтобы понять, насколько его работа связана с когерентностями в отдельных подсистемах. Расчеты показали, что с ростом числа ядерных спинов, которые может учесть модель, существенную роль играет глобальная когерентность всех степеней свободы.

Сами по себе радикалы обладают малым магнитным моментом, а потому механизм их чувствительности к магнитному полю гораздо сложнее. Сразу после рождения пары их электронные спины образуют синглет, однако он смешивается с триплетом под действием сверхтонкого взаимодействия с ядрами. И синглетное и триплетное электронные состояния приводят к перестройке белковой структуры, но только в первом случае возможна рекомбинация. Предполагается, что этот факт определяет механизм формирования сигнала. Само же магнитное поле за счет зеемановских смещений электронных уровней влияет на характер квантовой суперпозиции и, как следствие, на вероятность рекомбинации.

В качестве стартовой точки физики записали основное кинетическое уравнение, которое позволяет определить изменение со временем элементов спиновой матрицы плотности. В качестве меры точности компаса выступила степень анизотропии для вероятности найти систему спинов в синглетном состоянии. Авторы определили эту степень как разницу максимума и минимума в зависимости вероятности от углов ориентации магнитного поля.

Поскольку задачей исследователей было понять роль когерентности в работе химического компаса, ее нужно было формализовать. Они выбрали на эту роль относительную энтропию когерентности, определяемую через разницу энтропий фон Неймана для матрицы плотности и для нее же, пропущенной через дефазирующий оператор. Особенностью такого подхода стала возможность выбора степеней свободы, когерентность которых мера определяет.

В своих симуляциях авторы смогли учесть различное количество ядерных спинов вплоть до 21. Это позволило также оценить справедливость предыдущих исследований, где их число было существенно меньше. В частности, физики выяснили, что для большого числа ядерных спинов чувствительность компаса перестает коррелировать с электронной когерентностью. Вместо этого на первый план выходит глобальная когерентность, которая объединяет и электронные, и ядерные степени свободы. Другими словами, на больших масштабах система в целом не может быть сведена к рассмотрению отдельных подсистем. Результаты работы ученых показывают, что масштабируемость играет важную роль в построении реалистичных моделей для объяснения работы компаса у животных.

Недавно мы рассказывали, как биофизики проверили работоспособность другого механизма магниточувствительности, основанного на кутикулосомах. Оказалось, что магнитной восприимчивости этих частиц недостаточно для передачи сигнала по электромеханическим каналам.

Марат Хамадеев