23 Ocak 2018 Salı

epiSTEM Türkiye Çevirileri - 2: Kuantum Biyoloji



Deney, biyolojik sistemlerde kuantum mekaniksel etkiler gösteriyor

Nobel ödüllü fizikçi Erwin Schrödinger ilk olarak yaklaşık 75 yıl önce yayınlanan "What is life?" adlı kitabında atom-altı parçacıkların gizemli dünyasını betimleyen kuantum mekaniğinin biyolojide de bir rolü olup olmadığı sorusunu sormuştu. Northwestern Üniversitesi’nden Prem Kumar’ın son bulguları, bu soruya cevabın evet olabileceği yönünde yeni kanıtlar sunuyor bize.

Kumar ve ekibi, dünyada ilk kez bir biyolojik sistemde kuantum dolaşıklık yarattı. Kısmen Defense Advanced Research Projects Agency tarafından desteklenen ve 5 Aralık'ta Nature Communications'da yayınlanan bu araştırma, bilim insanlarının temel biyoloji anlayışını derinleştirebileceği gibi, kuantum mekaniğinden yaralanarak biyolojik araçların yeni amaçlar için kullanılmasının önündeki kapıları da aralayabilir.

Northwestern'de McCormick Mühendislik Okulu'nda elektrik mühendisliği ve bilgisayar bilimi, Weinberg Sanat ve Bilim Koleji'nde ise fizik ve astronomi profosörü olan Kumar, "Biyoloji öğrenmek için kuantum (teorik ve teknolojik) araçları kullanabilir miyiz?" diye soruyor ve ekliyor: "İnsanlar bu soruyu yıllardır, kuantum fiziğinin ilk günlerinden beri soruyor. Bu yeni kuantum durumlarına (yani dolaşık durumlara) karşı duyduğumuz bu ilginin temelinde başka şekilde kesinlikle mümkün olmayan uygulamara izin vermeleri yatıyor."

Yabancısı olanlar için kuantum dolaşıklığın kuantum mekaniğinin en gizemli olgularından bir tanesi olduğunu söyleyebiliriz. Atom, foton ya da elektron gibi iki parçacık dolaşık olduklarında, evrenin iki zıt köşesinde bulunsalar bile korunan ve anlaşılması güç bir bağ deneyimliyorlar. Öyle ki parçacıkların birinin davranışı diğerininkine bağlı oluyor. Örneğin, bir parçacığın spini belli bir doğrultuda bunuyorsa, eş zamanlı olarak diğerinin spinin doğrultusu da dolaşıklığın dayattığı şekilde değişiyor. Kumar dahil birçok araştırmacı kuantum iletişim dahil birçok uygulama için kuantum dolaşıklıktan faydalanmaya çalışıyor. Zira dolaşık parçacıklar telsiz veya kablosuz etkileşebilecekleri için, güvenli mesaj göndermede veya oldukça hızlı bir kuantum internet kurmada kullanılabilirler.

"Araştırmacılar üzerlerinde kuantum makineleri tasarlayıp inşa edecekleri bir zemin geliştirmek için her geçen gün daha da fazla sayıdaki atom veya fotonu dolaştırmak için uğraşıyor." diyor Kumar ve ekliyor: "Benim laboratuvarım ise bu makineleri bir biyolojik zemin üstünde inşa edebilir miyiz sorusunu soruyor."

Bahsi geçen çalışmada Kumar'ın ekibi biyo-ışımadan sorumlu olan ve biyomedikal araştırmalarda da sıklıkla kullanılan yeşil floresan ("green fluorescent") proteinlerini kullanıyor. Ekip alglerin fıçı-şekilli protein yapısı içindeki floresan ışıma yapan molekülleri birçok dalga boyunun birbiri ile etkileşip yeni dalgaboyları ürettiği ve "spontaneous four-wave mixing" adı verilen bir sürece maruz bırakarak, moleküllerin ürettikleri fotonları dolaştırmayı denemiş.

Böyle bir dizi deney boyunca Kumar ve ekibi başarılı bir şekilde foton çiftleri arasında polarizasyon dolaşıklığı olarak adlandırılan tipte bir dolaşıklık üretmiş. Polarizasyon, 3D filmleri izlerken kullandığımız gözlükleri yapmak için de kullanılan bir özellik ve kabaca ışık dalgalarındaki salınımların doğrultusu olarak düşünülebilir. Bir dalga dikey, yatay veya farklı bir açıda salınabilir. Kumar’ın dolaşık çiftlerinde fotonların polarizasyonu dolaşık, yani ışık dalgalarının salınım doğrultuları birbirine bağlı. Kumar "Bir parçacığın dikey polarizasyonunu ölçtüğümüz zaman, diğerinde de bunun aynı olması gerektiğini gördük. Bir parçacığın yatay polarizasyonunu ölçtüysek, diğer parçacıktaki yatay polarizasyonu tahmin edebildik. Aynı anda olasılıkların hepsinde birden ilintili olan bir dolaşık durum yarattık." diyor. Ayrıca floresan ışıma yapan molekülleri çevreleyen fıçı-şekilli yapının dolaşıklığı bozulmaktan koruduğunu belirtiyor.

Şu an biyolojik parçacıklardan kuantum dolaşıklık yaratmanın mümkün olduğunu göstermiş olan Kumar ve ekibi, bunun ardından bir kuantum makine inşa etmek için kullanılabilecek, dolaşık parçacıklardan oluşan bir biyolojik zemin yapmayı planlıyor. Ondan sonra böyle bir biyolojik zeminin sentetik bir benzerinden daha verimli çalışıp çalışmayacağını anlamayı deneyecekler.

Çevirinin/Derlemenin bağlantısı: epiSTEM Türkiye

Çevirinin/Derlemenin kaynağı: Phys. Org

Makale: Siyuan Shi et al. Generation of photonic entanglement in green fluorescent proteins, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-02027-9

Hiç yorum yok:

iZ-LeYiCiLeR

e-PoSTa iLe İZ-Le