pththao
Senior Member
Hôm qua mình đọc được một bài khá thú vị trên physicsworld số ra January 2011 về các hiệu ứng lượng tử trong sinh học. Dân vật lý chắc chắn rất ngạc nhiên khi tìm được dấu vết về các hiệu ứng lượng tử trong sinh học, biết đâu mai kia một sinh viên sinh học sẽ phải học Quantum Information 
Ở đây mình lược dịch lại ý bài đó, bạn nào quan tâm có thể theo dõi trực tiếp trên physicsworld.org.
https://physicsworld.com/cws/article/news/27582
“Thông thường vật lý phân biệt vật thể vĩ mô và vật thể vi mô. Vật thể vĩ mô được mô tả bằng cơ học Newton. Khi đi sâu nghiên cứu các vật thể vi mô người ta thấy các vật thể vi mô không tuân theo cơ học Newton. Điều này làm đau đầu các nhà vật lý đầu thế kỷ Hai Mươi và dẫn đến sự ra đời của cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử mô tả chuyển động các hạt vi mô khác biệt hoàn toàn với cơ học Newton mà ta nhìn thấy hàng ngày. Cơ học lượng tử là một trong những cơ sở lớn nhất của vật lý hiện đại, từ lý thuyết hạt cơ bản cho đến lý thuyết các quá trình ngưng tụ. Tuy nhiên đối với cuộc sống hàng ngày, với các vật thể vĩ mô thì các hiệu ứng của cơ học này hoàn toàn không đáng kể, không quan sát được, và vì vậy theo cách nói của vật lý là không có. Các vật vĩ mô được mô tả hoàn chỉnh bởi cơ học Newton.
Trong các quá trình sinh học, các đối tượng tham gia thường là các đại phân tử và được liệt vào các dạng 'vĩ mô' (chú ý là bản thân cấu trúc của phân tử đó, liên quan đến chuyển động của electron được mô tả bởi cơ học lượng tử.) Điều đó có nghĩa là chuyển động của các đối tượng như vậy trong môi trường được mô tả bởi cơ học Newton một cách hoàn chỉnh.
Như vậy, một cách hình thức, trừ các nhà vật lý và hóa học làm việc với các quá trình mức nguyên tử và nhỏ hơn phải lo lắng về hiệu ứng lượng tử, nói chung đại đa số chúng ta không phải lo lắng về các biểu hiện bất thường của các đối tượng kích thước và khối lượng dưới mức nguyên tử như vậy.
Tuy nhiên gần đây, năm 2007, quan sát quá trình quang hợp (photosynthesis), một nhóm nghiên cứu cho rằng quá trình đó liên quan đến một đối tượng là exciton. Exciton thực tế tương tự như nguyên tử Hydro tạo bởi electron và lỗ trống (lỗ trống, một cách thô thiển có thể tưởng tượng giống như một giọt nước trong bình nước-electron kín, có chuyển động biểu kiến và các tính chất cơ học tương đương electron nhưng có điện tích ngược dấu.) Exciton như vậy thuộc về mức độ nguyên tử, hơn nữa thuộc loại nguyên tử nhẹ!
Trong quá trình quang hợp, các exciton thực hiện quá trình khuyếch tán đi đến một tâm. Như vậy chuyển động của exciton rất có thể thể hiện các hiệu ứng lượng tử mong đợi. Ý tưởng ban đầu của nhóm nghiên cứu cho rằng quá trình chuyển động đó là một quá trình thể hiện thuật toán tìm kiếm lượng tử (quantum searching algorithm). Theo thuật toán đó, hạt có thể khuyếch tán đến tâm nhanh hơn dự đoán bởi cơ học Newton. Điều này khiến nhiều nhà vật lý ngạc nhiên, vì đây là lần đầu tiên người ta đặt vấn đề ảnh hưởng của các hiệu ứng lượng tử đối với một quá trình sống. Năm 2010, một nhóm nghiên cứu (xem chi tiết từ bài gốc) quyết định tìm hiểu cẩn thận hơn quá trình này (bắt nguồn từ một semina bình thường của nhóm.) Kết quả nghiên cứu của nhóm dẫn đến việc mô tả quá trình khuyêch tán trên thực chất không phải là thuật toán tìm kiếm lượng tử , mà là một quá trình chuyển động khuyếch tán lượng tử (quantum random-walk.) Ví dụ cổ điển về chuyển động khuyếch tán (random -walk) chính là chuyển động Brown trứ danh. Hạt trong chuyển động khuyếch tán như vậy liên tục thực hiện các bước đi một cách ngẫu nhiên, thường được ví như chuyển động của một người say rượu tìm đường về nhà liên tục ghé nhầm vào nhà hàng xóm. Điều quan trọng là quá trình ngẫu nhiên đó mang tính lượng tử. Hiệu ứng lượng tử thể hiện ở tính giao thoa trong bước đi của hạt! (Có thể bạn thấy chỗ này trái trực giác, nhưng đó là một trong những ý tưởng chính của cơ học lượng tử và nó cũng luôn gây khó khăn cho sinh viên Vật lý). Thể hiện của tính lượng tử trong quá trình khuyêch tán cũng giống như thể hiện của quá trình thực hiện thuật toán tìm kiếm lượng tử là ở chỗ hiệu suất khuyếch tán đến tâm cao hơn so với quá trình không lượng tử. Kết quả mô phỏng cho mô tả phù hợp với quan sát nêu trên năm 2007 một cách bất ngờ (xem bài viết trên physicsworld.)
Không có gì ngạc nhiên khi một đối tượng ở mức nguyên tử (nhẹ) như exciton thể hiện hiệu ứng lượng tử như vậy. Tuy nhiên điều đáng nói ở chỗ nhờ hiệu ứng đó mà quá trình quang hợp đạt hiệu suất cao hơn mong đợi cổ điển. Điều đó có nghĩa là cơ học lượng tử thể hiện tác dụng trong quá trình sống. Và nếu như vậy, có thể chúng ta phải tính đến hiệu ứng này trong lý thuyết tiến hóa sinh học!?”
PS: Bài viết trên tạm dịch một số thuật ngữ không chuẩn do vấn đề từ vựng (tuy nhiên gần đồng nghĩa), ví dụ: Random Walk-chuyển động ngẫu nhiên được dịch thành khuyếch tán-diffusion. Bài tham khảo từ bản hard copy.
Ở đây mình lược dịch lại ý bài đó, bạn nào quan tâm có thể theo dõi trực tiếp trên physicsworld.org.https://physicsworld.com/cws/article/news/27582
“Thông thường vật lý phân biệt vật thể vĩ mô và vật thể vi mô. Vật thể vĩ mô được mô tả bằng cơ học Newton. Khi đi sâu nghiên cứu các vật thể vi mô người ta thấy các vật thể vi mô không tuân theo cơ học Newton. Điều này làm đau đầu các nhà vật lý đầu thế kỷ Hai Mươi và dẫn đến sự ra đời của cơ học lượng tử. Cơ học lượng tử mô tả chuyển động các hạt vi mô khác biệt hoàn toàn với cơ học Newton mà ta nhìn thấy hàng ngày. Cơ học lượng tử là một trong những cơ sở lớn nhất của vật lý hiện đại, từ lý thuyết hạt cơ bản cho đến lý thuyết các quá trình ngưng tụ. Tuy nhiên đối với cuộc sống hàng ngày, với các vật thể vĩ mô thì các hiệu ứng của cơ học này hoàn toàn không đáng kể, không quan sát được, và vì vậy theo cách nói của vật lý là không có. Các vật vĩ mô được mô tả hoàn chỉnh bởi cơ học Newton.
Trong các quá trình sinh học, các đối tượng tham gia thường là các đại phân tử và được liệt vào các dạng 'vĩ mô' (chú ý là bản thân cấu trúc của phân tử đó, liên quan đến chuyển động của electron được mô tả bởi cơ học lượng tử.) Điều đó có nghĩa là chuyển động của các đối tượng như vậy trong môi trường được mô tả bởi cơ học Newton một cách hoàn chỉnh.
Như vậy, một cách hình thức, trừ các nhà vật lý và hóa học làm việc với các quá trình mức nguyên tử và nhỏ hơn phải lo lắng về hiệu ứng lượng tử, nói chung đại đa số chúng ta không phải lo lắng về các biểu hiện bất thường của các đối tượng kích thước và khối lượng dưới mức nguyên tử như vậy.
Tuy nhiên gần đây, năm 2007, quan sát quá trình quang hợp (photosynthesis), một nhóm nghiên cứu cho rằng quá trình đó liên quan đến một đối tượng là exciton. Exciton thực tế tương tự như nguyên tử Hydro tạo bởi electron và lỗ trống (lỗ trống, một cách thô thiển có thể tưởng tượng giống như một giọt nước trong bình nước-electron kín, có chuyển động biểu kiến và các tính chất cơ học tương đương electron nhưng có điện tích ngược dấu.) Exciton như vậy thuộc về mức độ nguyên tử, hơn nữa thuộc loại nguyên tử nhẹ!
Trong quá trình quang hợp, các exciton thực hiện quá trình khuyếch tán đi đến một tâm. Như vậy chuyển động của exciton rất có thể thể hiện các hiệu ứng lượng tử mong đợi. Ý tưởng ban đầu của nhóm nghiên cứu cho rằng quá trình chuyển động đó là một quá trình thể hiện thuật toán tìm kiếm lượng tử (quantum searching algorithm). Theo thuật toán đó, hạt có thể khuyếch tán đến tâm nhanh hơn dự đoán bởi cơ học Newton. Điều này khiến nhiều nhà vật lý ngạc nhiên, vì đây là lần đầu tiên người ta đặt vấn đề ảnh hưởng của các hiệu ứng lượng tử đối với một quá trình sống. Năm 2010, một nhóm nghiên cứu (xem chi tiết từ bài gốc) quyết định tìm hiểu cẩn thận hơn quá trình này (bắt nguồn từ một semina bình thường của nhóm.) Kết quả nghiên cứu của nhóm dẫn đến việc mô tả quá trình khuyêch tán trên thực chất không phải là thuật toán tìm kiếm lượng tử , mà là một quá trình chuyển động khuyếch tán lượng tử (quantum random-walk.) Ví dụ cổ điển về chuyển động khuyếch tán (random -walk) chính là chuyển động Brown trứ danh. Hạt trong chuyển động khuyếch tán như vậy liên tục thực hiện các bước đi một cách ngẫu nhiên, thường được ví như chuyển động của một người say rượu tìm đường về nhà liên tục ghé nhầm vào nhà hàng xóm. Điều quan trọng là quá trình ngẫu nhiên đó mang tính lượng tử. Hiệu ứng lượng tử thể hiện ở tính giao thoa trong bước đi của hạt! (Có thể bạn thấy chỗ này trái trực giác, nhưng đó là một trong những ý tưởng chính của cơ học lượng tử và nó cũng luôn gây khó khăn cho sinh viên Vật lý). Thể hiện của tính lượng tử trong quá trình khuyêch tán cũng giống như thể hiện của quá trình thực hiện thuật toán tìm kiếm lượng tử là ở chỗ hiệu suất khuyếch tán đến tâm cao hơn so với quá trình không lượng tử. Kết quả mô phỏng cho mô tả phù hợp với quan sát nêu trên năm 2007 một cách bất ngờ (xem bài viết trên physicsworld.)
Không có gì ngạc nhiên khi một đối tượng ở mức nguyên tử (nhẹ) như exciton thể hiện hiệu ứng lượng tử như vậy. Tuy nhiên điều đáng nói ở chỗ nhờ hiệu ứng đó mà quá trình quang hợp đạt hiệu suất cao hơn mong đợi cổ điển. Điều đó có nghĩa là cơ học lượng tử thể hiện tác dụng trong quá trình sống. Và nếu như vậy, có thể chúng ta phải tính đến hiệu ứng này trong lý thuyết tiến hóa sinh học!?”
PS: Bài viết trên tạm dịch một số thuật ngữ không chuẩn do vấn đề từ vựng (tuy nhiên gần đồng nghĩa), ví dụ: Random Walk-chuyển động ngẫu nhiên được dịch thành khuyếch tán-diffusion. Bài tham khảo từ bản hard copy.
