Quantum Biocomputingは私たちの先を行くものですか？

生物が量子計算に対処できる生体/分子ツールを知ったので、たとえば鳥が量子コヒーレンスを扱うことを可能にする派手なタンパク質（例：鳥の磁気コンパスの量子針またはダブルコーンの局在化と季節的発現パターン）欧州ロビンクリプトクロムの磁気受容における役割4）

• これらのツールは、あなた（量子コンピューティング研究者）が抱えている問題をすでに解決していますか？
• これらのツールがラボで苦労していることを何らかの形で解決しなければならない特定の問題はありますか？
• それらを使用できますか（これはバイオテクノロジーへのパラダイムシフトを意味しますが）？

「量子バイオコンピューティングは私たちの前にありますか？」

行われ、いくつかの作業が行われているbiocomputing、量子コンピューティング、スピン化学、およびmagnetochemical反応。

クリプトクロムなどの光活性磁気受容タンパク質上の相関ラジカルペア（各ラジカルに1つずつある2つの電子スピンが相関するように同時に作成される過渡ラジカルのペア）は、量子計算を構成しません。

参照：「鳥類の光依存性磁気受容：赤色光への前曝露後の赤色光下での行動の分析」、W。Wiltschko、Gesson、Noll、およびR. WiltschkoによるJournal of Experimental Biology、2004年。

南デンマーク大学（SDU）のQuantum Biology and Computational Physics研究グループのQuantBioLab Webサイトで、記事「視覚に基づく動物の磁気受容」を参照してください。

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図7.鳥瞰図とその重要なコンポーネントの概略図。網膜（a）は、目の光学系からの画像を、脳への視神経を形成する神経節細胞に沿って送信される電気信号に変換します。（b）拡大された網膜セグメントが概略的に示されています。（c）網膜はいくつかの細胞層で構成されています。rod体および錐体外節で発生する主要な信号は、水平細胞、双極細胞、アマクリン細胞、および神経節細胞に送られます。（d）一次光伝達シグナルは、はるかに低い密度で概略的に示される受容体タンパク質ロドプシンで生成されます。ロドプシンを含む膜は、厚さが約20 nmの円盤を形成し、互いに約15〜20 nm離れています。

数学用語では、鳥の視覚ベースのコンパスは、鳥の網膜に記録された磁場を介した視覚信号変調をモデル化するフィルター機能によって特徴付けられます（図8を参照）。

図8.ドイツ、フランクフルトアムマインのパノラマビュー。この画像は、地上200 mの鳥の飛行高度から記録された景観の遠近法を示しており、基本的な方向が示されています。視野は、磁気フィルター機能により変更されます。8つの基本的な方向（N、NE、E、SE、S、SW、W、およびNW）を見ている鳥のパターンが示されています。地磁気の傾斜角は66°で、この地域の特徴的な値です。

生体機械コンピューターが作成されました。Bio4Comp、EUが資金提供した研究プロジェクトは、それぞれ数十億分の1メートル（ナノメートル）のサイズの生体分子機械を作成しました。アクチン-ミオシンおよび微小管-キネシンの運動システムは、数学的アルゴリズムを表すように設計されたチャネルのナノ加工ネットワークを移動することにより問題を解決できます。「ネットワークベースのバイオコンピューティング」と呼ばれるアプローチ。生体分子がネットワーク内のジャンクションに到達するたびに、計算中の合計に数値を加算するか、除外します。そのようにして、各生体分子は、プロセッサーとメモリーを備えた小さなコンピューターとして機能します。個々の生体分子は現在のコンピューターよりもはるかに遅いものの、自己組織化されているため、大量に使用できるため、計算能力がすぐに追加されます。これがどのように機能するかの例は、彼らのウェブサイトのビデオに示されています。

• これらのツールは、あなた（量子コンピューティング研究者）が抱えている問題をすでに解決していますか？

• これらのツールがラボで苦労していることを何らかの形で解決しなければならない特定の問題はありますか？

• それらを使用できますか（これはバイオテクノロジーへのパラダイムシフトを意味しますが）？

「ネットワークベースのバイオコンピューティングで数学的問題を解決するための最初のステップは、ネットワークを探索する分子モーターが問題を解決できるように、問題をネットワーク形式にエンコードすることです。たとえば、サブセットの合計、正確なカバー、ブール充足可能性、巡回セールスマンをエンコードしました。

Bio4Compプロジェクトでは、これらのエンコーディングを最適化して、生物学的因子で効率的に解決し、より簡単にスケールアップできるように焦点を当てます。最適化されたコンピュータアルゴリズムと同様に、最適化されたネットワークが大幅に正しい解を見つけるために必要な計算能力（ひいてはモータータンパク質の数）を減らすことができる「 -ソース：。Bio4Compリサーチ。

ラジカルペアは量子コンピューターを構成せず、スピン化学を示す量子生化学反応に過ぎないという私の答えを裏付ける別の興味深い論文は、Jianming Cai（2018）による「量子プローブと磁気ナノ構造を備えた化学コンパスの設計」です。

前書き。—最近、量子生物学への関心が高まっています。すなわち、化学的および生物学的システム、例えば集光システム、鳥類コンパス、嗅覚における量子効果の調査です。主な動機は、量子コヒーレンス（エンタングルメント）が生物学的機能を達成するためにどのように活用されるかを理解することです。この目標に向けた重要なステップとして、周囲条件下で量子効果を検出できるツールを見つけることが望ましいです。量子生物学の研究における実用的な関心の究極の目標は、自然から学び、太陽エネルギーの収集や弱い磁場の検出などの重要なタスクを完了するために、生体システムを模倣できる高効率デバイスを設計することです。

量子生物学の例として、ラジカルペアメカニズムは、鳥、ショウジョウバエ、植物などの弱い磁場に反応する種の能力を説明する興味深い仮説です。磁気化学コンパスは、リモート磁力測定、微視的または地形的に複雑な材料の磁気マッピング、および散乱媒体を介したイメージングに用途を見つけることができます。結合したカロテノイド（C）、ポルフィリン（P）、およびフラーレン（F）で構成される合成ドナー-ブリッジ-アクセプターコンパスが低温（193 K）で機能することが実証されました。驚くべきことに、そのようなトライアド分子は、地磁気に敏感であることが実験的に実証されている唯一の既知の例です（まだ室温ではありません）。

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概要。—勾配場は、化学コンパスの性能を大幅に向上させることができることを実証しました。勾配場は、スピン化学におけるラジカル対反応の量子力学を調査するための強力なツールも提供します。特に、初期のラジカル対状態がもつれた一重項状態にあるのか、古典的な相関状態にあるのかを区別することができます。。これらの現象は、部分的な方向の平均化と現実的な磁気ノイズの追加によって持続します。そこで予測される効果は、配向性液晶ホスト内の磁性ナノ粒子とラジカルペアで構成されるハイブリッドシステムコンパスで検出可能です。私たちの研究は、室温で機能する可能性のある高感度のラジカルペアメカニズムに基づいて、生物学的にヒントを得た弱磁場センサーを設計/シミュレートする簡単な方法を提供します。

量子生物学について多くのことが書かれています。やや古く、そしてまだしっかりしたものは、フィリップ・ボール、量子生物学の夜明けのものです（Nature 2011、474、271-274）。とりあえず、それをレビューせずに、質問に集中しましょう。

最初の質問には：（それは私たちの問題を解決しています？）

Quantum Biologyで説明されているシステム（またはプロセス）は、非自明な量子力学であり、したがって興味深いですが、私の知る限り、マルチキュービットでもないため、実際には量子コンピューティングとは異なります。特に、現在知られている量子生物学的プロセスはスケーラビリティを提供せず、量子論理ゲートも提供しません（少なくとも私たちが理解している方法ではありません）。答えとして、それは主にノーです。これらのツールは問題を解決していません。

：2番目の質問には（それは我々が苦労している具体的な問題を解決するのですか？）

固体構造、複雑な構造化されたシステム、高温での信頼性の高い量子コヒーレンスは、私たち全員が解決したいと考えているものであり、少なくともある程度は、これが量子生物学の目的です。したがって、この分野の現在の理解に関する限り、これは実際、研究室の人々が取り組んでいる特定の問題であり、生物学では解決されているようです（分子は複雑なナノ構造であるため）。ラボで、固体状態、複雑な構造化されたシステム、高温で確実に量子コヒーレンスを達成できる場合はいつでも、有用性と安価さにずっと近づきます。答えとして、それはイエスです。

3番目の質問には：（私たちは、量子ハードウェアとしての生体分子を使用することができます？）

控えめに言っても、彼らはまだメインリーグにはいません。楽観的な憶測としても、彼らはすぐに大手企業と競争することはないだろうと思いますが、研究が分子生物学および合成生物学の過去のDNA折り紙（および関連する戦略）を進めるにつれて、点生体分子キュービットは分子スピンキュービットのサブセット内で役割を果たす。特に、関連性の鍵は、異常な状態（温かい、濡れた）での（一見証明された）コヒーレンスと、機能構造への非常に複雑な自己組織化のための生体分子の比類のない能力を組み合わせることです。（コヒーレントで組織化された）分子スピンキュービットは私の研究分野であるため、関連するいくつかの論文にリンクさせてください。まず、通常の固体候補とのコヒーレンスの点で競争力のある最初の磁性分子に対する最初の反応、したがって磁性分子が量子コンピューターへの競争にどのように戻っているか 。また、量子コンピューティングの汎用性のある足場としてペプチドを使用できる理由と方法に関するarXivに関するこの提案（開示：私は著者です）。

科学的証拠を再現することは困難であるため、生物学における量子効果の証拠について多くの科学的議論がありました。量子コヒーレンスの証拠を見つけた人もいれば、そうでないと主張する人もいます。（ボール、2018）。

最新の調査研究（Nature Chemistry、2018年5月）では、重ね合わせを示す特定の振動信号の証拠が見つかりました。科学者は、理論に基づいて予想どおり正確に持続する量子効果を発見し、これらが同時に2つの分子に重畳されるエネルギーに属することを証明しました。これにより、生物系は非生物系と同じ量子効果を示すという結論に至りました。

これらの効果は、バクテリアのフェナ・マシューズ・オルセン反応センター-クロロビウムテピドゥム（Borroso-Flores、2017）で観察されています。

研究は、光合成エネルギー移動プロセスの次元と時間スケールが、それらを量子/古典的境界に近づけることを証明しています。これにはさまざまな説明がありますが、エネルギー的にノイズの多い量子/古典的限界が励起エネルギー移動制御に理想的であることを示しているようです。 ケレン2018

生物学的半導体としての量子生物学

生物学のこのようなダイナミクスはスピン化学（ラジカルペア）に依存しており、「特定の有機半導体（OLED）は磁気エレクトロルミネセンスまたは磁気コンダクタンスを示し、そのメカニズムは生物学のラジカルペアと本質的に同一の物理を共有する」

 PJホア（2016）。

「スピンシングレット」および「トリプレット」という用語は、スピントロニクス（半導体の調査）で使用され、ラジカルペア（スピンシングレットまたはトリプレットを含む）という用語は、生物学におけるスピン化学を説明するために使用されます。しかし、すべての用語は同じ現象を説明しています（異なる分野の分野でのみ）。最近、このJ Matysik（2017）を認識して、スピン化学とスピントロニクスの統合が学際的に求められています。

科学者によってすでに特定されている生体半導体にはメラニンとペプチドが含まれており、ペプチドは現在、量子コンピューティングの足場として探索されています。

UltriaFast電子移動、および電子スピン情報の核スピンへの保存

光合成中、植物は超高速エネルギーと電子伝達のために電子コヒーレンスを使用し、それらのコヒーレンスを維持するために特定の振動を選択しました。このようにして、光合成エネルギー移動と電荷分離は驚くべき効率を達成しました。同時に、これらの同じ相互作用を使用して、高い光強度での集光および電荷分離の望ましくない副産物からシステムを光保護します

リエンク・ファン・グロンデル。

光合成反応中心での電荷分離では、三重項状態が分子酸素と反応して、破壊的な一重項酸素を生成します。細菌や植物の三重項生成物の収量は、弱い磁場によって減少することが観察されています。この効果は、固体光化学的に誘導された動的核分極（photo-CIDNP）によるものであることが示唆されています。 Adriana Marais 2015）。メカニズムなどの生物学では、酸化ストレスに対する耐性を高めることができます。

反応中心における光CIDNPの発生条件と反応中心における比類のない効率的な光誘起電子移動の条件との間には関連があるように思われることが注目されています。J Matysik 2009、  IF Cespedes-Camacho、J Matysik 2014。 

CIDNP効果がFenna-Matthews-Olsen反応センターで観察されています（Roy et al 2006）。

CIDNP効果は、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）でも観察されています（Stob 1989）。

FADは、クリプトクロムおよび他の生物学的酸化還元反応で理論化された量子効果に関係しています。広く受け入れられている理論は、磁場への応答中に、クリプトクロムの非共有結合したフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）補因子の光励起が、「トリプトファントライアド」に沿った連続的な電子移動を介してラジカルペアの形成をもたらすというものです。タンパク質内の3つの保存されたトリプトファン残基のチェーン。このプロセスは、FADの光励起一重項状態をアニオンラジカルに低減します。光CIDNP MAS NMRが反応中心での光合成電子輸送に関する詳細な洞察を提供したのと同じように、機構研究におけるさまざまなアプリケーションで期待されています他の光活性タンパク質。

「今まで、スピントロニクスではCIDNP現象は観察されていませんが、そのような効果を得る可能性については言及されています。プロセスが可能になる可能性があります。電子スピン情報を核スピンに保存します。」

 Jマティシク（2017）。

これは、上記のアニンポストの拡張機能です

生物学は単に半導体や量子コンピューターの形態ではないため、量子生物学は量子コンピューティングの現実的な懸念を解決することはできません。

生物学のラジカル対機構に取り組んでいるPJホア（上記引用）のような有力な学者は、最初からNMR研究と強く結び付いていることに注意してください。これらの学者は学際的な仕事の利点と落とし穴の両方をよく知っているかもしれません。学術研究における主要なリスクの1つは、学問分野間で類似点を描く際に、差異を無視できることです。生物学の複雑な適応システムが、コンピューティングまたは物理学内の既存の概念化に単純に適合することは考えにくい。学者はこの現象を未知のものであり、多くの可能性を保持しているものとして調査する必要があります。

たとえば、（生物学的プロセス内の）量子効率の研究でラジカルペアメカニズムのみに焦点を当てることは、それらの幅広いコンテキストを理解することなく、限られた用途になります。

コンテキストを理解する

マウスモデルでは、クリプトクロームと酸化還元および生物学的タイミング機構との相互作用を証明する研究があります（Harino et al、2017）。そして、より広く、多くの植物（グアダグノら、2018）と動物種でのレドックスとサーカディアンリズム（サーカディアンゲーティングを含む）の相互作用に関する文献が増えています。

最近の研究では、活性酸素種（ROS）生成とROS消去酵素の概日リズム、およびROS生成光合成の概日リズムが調査されています。それが提案されています

「光合成の速度の変化が一重項酸素の生成の変化につながることを考えると、光合成の概日調節は一重項酸素生成のリズムを引き起こす可能性があります」。（Simon et al、2019）。

概日リズムについてもっと理解したいなら、アルフレッド・ゴールドベターの作品をチェックすることをお勧めします。

生物学はすべてを個々のコンポーネントに分離しません

このようなタイミングメカニズムの動作は、量子効率に影響を及ぼします[ Garzia- Plazaola et al、2017 ; Schubert et al、2004）生物学の範囲内。Sorek and Levy（2012）は、温度補償との関係も調査しました。

既知のすべての概日時計には、温度に対して著しく鈍感な内因性周期があります（Kidd et al、2015）

上記の研究から、生物学は光と温度のシグナル伝達を分離ではなく統合として扱うことができるように思われます（Franklin et al、2014）。

そして、これは磁場や光に対する応答だけではありません。cry遺伝子は、いくつかの種の生物時計、空間的方向、および重力、磁場、太陽、月、および天体放射に関連するタクシーに影響する青色光（<420 nm）光変換を変更します（Clayton、2016）

生成コード？

どのように量子生物学的システムをコードに関連付けることができるかを考慮する必要があります。

可能なメカニズムは、自発的な化学発光のメカニズムです（超弱光子放出や生体光子を含む他の多くの名前でも知られています）。このメカニズムは生物学（植物と動物の両方）で広く見られ、酸化ストレスプロセス中に電子的に励起された種が形成される場所で発生し（Cifra et al、2014）、ROSの生成に関連しています（Pospíšilet al、2014） 。考えは

さまざまな分子プロセスが光子を放出し、エネルギーを運ぶ励起子によって細胞表面に輸送されます。同様のプロセスが、光合成中に巨大タンパク質マトリックス全体に光子からエネルギーを運びます（MIT technology review、2012）。

このメカニズムは、動物と植物の両方のサーカディアンサイクルに固有のエネルギー代謝の体系的な変化にリンクされています（Fooitt et al、2016 and Kobayashi et al、2009）。また、このメカニズムの明確な利点は、時空間情報を提供することであることが指摘されています（Burgos et al、2017）

閃光（ちらつきの光、圧力、宇宙放射線、電磁界に応答して視覚野で生成される可能性がある）は、超弱光子放射の結果であることが提案されていますCsászáret al、2015。この背後にある正確なメカニズムはまだ調査中ですが、網膜にはクリプトクロムなどのタンパク質があることに注意する必要があります（Foley et al、2011）。ホスホンは、広範囲の幾何学的な形状と色を生成します。これらは潜在的にコード/ メモリとして機能する可能性があります。

重ね合わせの崩壊の結果はどうなるか

1と0の重ね合わせが生成できる場合、質問はこれを折りたたんだ結果を尋ねる必要があります。

これの隠phorは、ネッカーキューブなど、複数の安定した視覚的錯覚の崩壊です。これらは、複数の画像の可能性を示します。

特定の可能性/イメージに注意を向けることで、このような幻想を崩壊させることができます。参加する画像の選択は個人によって異なり、そのような選択は好みです。1つの画像を選択しても、その画像が他のすべての画像より優先されるわけではありません。それは単なる選択です。

最終的には、複数の可能性から1つの選択/解釈になります。そのため、メモリと予測の両方を適用すると、正しい答えではなく、解釈や構造（予測がメモリ上に大きく描画される）が生じます。

そのような選択の回避により重ね合わせの崩壊が防止されるか、または環境の変化により生成されるような新しい可能性により重ね合わせが再び確立される可能性があります。