Una recente ricerca della Rice University ha rivelato che la natura potrebbe sfruttare l’entanglement quantistico per ottimizzare il trasferimento di energia. La scoperta può aprire nuove prospettive nella progettazione di materiali artificiali per la raccolta della luce.
Nel cuore della fisica moderna si fa strada una teoria affascinante che unisce la complessità della biologia con la precisione della meccanica quantistica. Secondo un recente studio pubblicato su PRX Quantum da un gruppo di ricercatori della Rice University, la natura potrebbe utilizzare l’entanglement quantistico per ottimizzare la conversione e il trasferimento dell’energia, fenomeno da sempre considerato un mistero della fisica, che si manifesta quando due o più particelle diventano strettamente correlate al punto che lo stato di una influenza immediatamente quello dell’altra, anche a grandi distanze. I risultati ottenuti suggeriscono che quando l’energia è inizialmente distribuita su più siti molecolari in uno stato quantistico delocalizzato, il trasferimento energetico avviene con maggiore rapidità rispetto ad una configurazione in cui l’energia è concentrata in un singolo punto. Tale comportamento, osservato in modelli teorici, indica che la natura potrebbe impiegare complessi principi quantistici per ottenere la massima efficienza, persino in condizioni ambientali ordinarie.
L’attenzione degli studiosi si è concentrata in particolar modo su processi come la fotosintesi, nei quali la capacità di spostare energia in modo rapido ed efficace è un requisito essenziale. Le evidenze dimostrano che gli effetti di coerenza quantistica e di entanglement possono avere un ruolo determinante anche a temperatura ambiente, un concetto che sfida l’idea tradizionale che questi fenomeni siano confinati ai soli laboratori ultra-freddi della fisica sperimentale. Per indagare il meccanismo, il team ha elaborato un modello molecolare costituito da due regioni funzionali: una zona donatrice, dove avviene l’assorbimento iniziale dell’energia, e una zona accettrice, destinata a riceverla. L’energia può muoversi tra i vari siti attraverso salti probabilistici influenzati dalla distanza e dalle vibrazioni molecolari. L'aspetto più interessante del modello è la possibilità di confrontare due scenari differenti, uno in cui l’energia è confinata in un singolo sito ed un altro in cui è distribuita in uno stato entangled su più punti contemporaneamente.
Le simulazioni condotte hanno rivelato un netto vantaggio per le configurazioni delocalizzate. Il trasferimento energetico verso la regione accettrice risulta più veloce e stabile anche in presenza di rumore ambientale o disordine strutturale, dal quale si deduce che la coerenza quantistica consente al sistema di esplorare più percorsi simultaneamente aumentando la probabilità di raggiungere l’accettore in tempi ridotti. Gli autori dello studio, tra cui il fisico Guido Pagano, evidenziano che il fenomeno osservato potrebbe diventare una strategia naturale per ottimizzare processi che finora si ritenevano puramente classici. Il primo autore, Diego Fallas Padilla, sottolinea l’importanza di collegare la teoria dell’informazione quantistica con i meccanismi biologici reali, e aprire un dialogo tra discipline che finora hanno seguito percorsi separati. Le prospettive future puntano verso la realizzazione di esperimenti su piattaforme quantistiche controllabili, come sistemi di ioni intrappolati, per verificare empiricamente i risultati teorici. Una conferma sperimentale potrebbe rivoluzionare la progettazione di materiali fotosintetici artificiali, e rendere così possibile la creazione di dispositivi per la raccolta e la conversione della luce con livelli di efficienza ispirati ai principi quantistici della natura.
