한때 양자 효과에 비해 너무 혼란스럽다고 생각되었던 생물학적 시스템은 인간이 만든 그 어떤 것보다 더 빠르게 정보를 처리하기 위해 양자 역학을 조용히 사용하고 있을 수 있습니다.

새로운 연구에 따르면 이것은 뇌뿐만 아니라 박테리아와 식물을 포함한 모든 생명체에서 일어난다.

슈뢰딩거의 유산은 비약적인 발전에 영감을 주었습니다.

1944여 년 전, 이론 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 더블린 트리니티 칼리지(Trinity College Dublin)에서 영향력 있는 공개 강연을 했습니다. 이러한 대화는 쇼펜하우어와 우파니샤드와 같은 현대의 물리학적, 철학적 전통에서 비롯되었으며, 나중에 생명이란 무엇인가?라는 제목으로 0에 출판되었습니다. 》

이제 2025년 국제 양자 과학 기술의 해를 맞아 이론 물리학자이자 워싱턴 D.C.의 하워드 대학교 양자 생물학 연구소(QBL)의 창립 이사인 필립 쿨리안(Philip Culian)은 슈뢰딩거의 기본 아이디어를 확립했습니다.

쿠리안은 양자역학의 원리와 세포골격 필라멘트의 양자 광학적 특성을 보여주는 최근의 QBL 발견을 사용하여 지구 역사에서 탄소 기반 생명체의 총 정보 처리 능력에 대한 근본적으로 업데이트된 상한선을 제안합니다. 사이언스 어드밴스(Science Advances) 저널에 발표된 그의 연구 결과는 또한 이 생물학적 한계와 관측 가능한 우주의 모든 물질의 계산 한계 사이에 연관성이 있을 수 있음을 시사한다.

큐리안 교수는 "이 연구는 열역학, 상대성 이론, 양자 역학과 같은 20세기 물리학의 위대한 기둥을 연결하고, 생물 과학 전반에 걸친 주요 패러다임 전환에 대한 단서를 제공하며, 주변 온도에서 습식 소프트웨어에서 양자 정보 처리의 실현 가능성과 의미를 조사한다"고 말했다. "물리학자들과 우주론자들은 특히 전자기장과 함께 진화한 지구와 거주 가능한 우주의 다른 곳에서 생명의 기원을 고려할 때, 이러한 발견과 씨름해야 한다."

살아있는 시스템의 양자 과제

양자 역학(많은 과학자들이 작은 규모에만 적용된다고 믿는 물리 법칙)의 효과는 간섭에 민감합니다. 그렇기 때문에 양자 컴퓨터는 우주보다 낮은 온도로 유지되어야 하며, 원자와 분자와 같은 작은 물체만 양자 특성을 나타냅니다. 양자 기준에 따르면, 생물학적 시스템은 다소 적대적인 환경입니다: 그들은 따뜻하고 혼란스러우며, 심지어 세포와 같은 기본 구성 요소조차도 큰 것으로 간주됩니다.

그러나 Kurian의 팀은 작년에 수용액의 단백질 고분자에서 이러한 까다로운 미시적 조건 하에서 지속되는 뚜렷한 양자 효과를 발견했으며 뇌가 알츠하이머 및 관련 치매와 같은 퇴행성 질환으로부터 스스로를 보호할 수 있는 방법을 제공할 수 있습니다. 이들의 연구 결과는 양자 컴퓨팅 연구자들에게 새로운 응용 프로그램과 플랫폼을 제공하며, 생명과 양자 역학의 관계에 대한 새로운 사고 방식을 제시합니다.

그의 논문 '과학의 발전(Advances in Science)'에서 쿠리안은 표준 양자역학, 빛에 의해 설정되는 상대론적 속도 제한, 물질이 지배하는 우주의 임계 질량-에너지 밀도라는 세 가지 중요한 가정만을 고려했다. 엑스-마르세유 대학(University of Aix-Marseille)의 마르코 페티니(Marco Pettini) 교수와 프랑스 국립과학연구센터(French National Centre for Scientific Research, 프랑스)의 이론물리학센터(Centre for Theoretical Physics)는 "이러한 다소 무해한 전제와 결합하여, 열평형 상태에서 흔히 볼 수 있는 생물학적 구조에서 단광자 초복사에 대한 놀라운 실험적 확인은 양자 광학, 양자 정보 이론, 응집 물질 물리학, 우주론 및 생물 물리학에 대한 많은 새로운 연구 방향을 열었다"고 말했다. "그는 이 일과 아무 관련이 없습니다.

빛의 속도로 향하는 양자 신호

이러한 놀라운 특성을 달성하는 핵심 분자는 트립토판(tryptophan)으로, 많은 단백질에서 발견되는 아미노산으로 자외선을 흡수하고 더 긴 파장에서 재방출합니다. 트립토판의 대규모 네트워크는 미세소관, 아밀로이드 섬유, 막관통 수용체, 바이러스 캡시드, 섬모, 중심소체, 뉴런 및 기타 세포 복합체에서 형성됩니다. 세포골격 필라멘트에서 양자 초방사선에 대한 QBL의 확인은 모든 진핵생물이 이러한 양자 신호를 사용하여 정보를 처리할 수 있다는 광범위한 의미를 가지고 있습니다.

유산소 호흡을 거친 세포는 음식물을 분해하기 위해 산소를 사용하고 활성 산소를 생성하며, 이 활성산소는 해로운 고에너지 자외선 입자를 방출합니다. 트립토판은 이 자외선을 흡수하여 더 낮은 에너지로 다시 방출할 수 있습니다. 그리고 QBL 연구에서 발견한 바와 같이, 매우 큰 트립토판 네트워크는 강력한 양자 효과로 인해 이를 보다 효율적이고 안정적으로 수행할 수 있습니다.

生物化學信號的標準模型涉及離子在細胞或膜上移動，在電化學過程中產生峰值，每個信號需要幾毫秒。但神經科學和其他生物學研究人員直到最近才意識到，這並不是事情的全部。這些細胞骨架細絲的超發光大約發生在一皮秒 —— 百萬分之一微秒。它們的色氨酸網路可以像量子光纖一樣發揮作用，使真核細胞處理資訊的速度比單獨的化學過程快數十億倍。

스위스 로잔 폴리테크니크 대학(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne)과 이탈리아 엘레트라 신크로트로네 트리에스테(Elettra Sincrotrone Trieste)의 마제드 체르귀(Majed Chergui) 교수는 "큐리안의 통찰력이 미친 영향은 놀랍다. "그들은 2024 년의 실험 연구를 지원합니다." 양자 생물학, 특히 그의 이론적 지침에 따라 표준 단백질 분광학 방법의 초방사선 특성에 대한 우리의 관찰은 광물리학의 관점에서 살아있는 시스템의 진화를 이해하기 위한 새로운 전망을 열 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. ”

신성한 생명의 능력

많은 과학자들은 생물정보학 처리가 주로 뉴런 수준에서 이루어진다고 믿기 때문에 지구 바이오매스의 대부분을 구성하는 박테리아, 곰팡이 및 식물을 포함한 신경 유기체도 복잡한 계산을 하고 있다는 사실을 무시합니다. 이 유기체는 동물보다 훨씬 더 오래 지구에 존재했기 때문에 지구의 탄소 기반 계산의 대부분을 구성합니다.

"성간 매질과 행성간 소행성에 양자 방출체와 유사한 특징이 있으며, 이는 진핵 생물의 계산 우월성에 대한 선구자가 될 수 있습니다."라고 애리조나 대학의 행성 과학 및 우주 화학 교수이자 애리조나 우주 생물학 센터 소장 인 단테 로레타 (Dante Lauretta)는 말했다. 커리언의 예측은 과복사된 생명 시스템이 어떻게 행성의 컴퓨팅 파워를 향상시킬 수 있는지에 대한 인기 있는 드레이크(Drake) 방정식을 넘어서는 정량적 경계를 제공한다. 이러한 신호 및 정보 처리 방식의 두드러진 특성은 거주 가능한 외계행성 연구의 판도를 바꿀 수 있습니다. ”

생물학과 양자 기술의 만남

이 최신 분석은 양자 컴퓨팅 연구자들의 관심을 끌었는데, "시끄러운" 환경에서 취약한 양자 효과의 생존은 양자 정보 기술을 보다 탄력적으로 만들고자 하는 사람들에게 큰 관심사이기 때문입니다. 쿠리안은 생물학에서 이러한 연관성을 발견하고 놀란 여러 양자 컴퓨팅 연구자들과 이야기를 나눴습니다.

"이러한 새로운 성능 비교는 개방형 양자 시스템 및 양자 기술 분야의 많은 연구자들에게 흥미로울 것입니다"라고 이 연구와 관련이 없는 양자 연구원인 스위스 ETH 취리히의 Nicolò defu 교수는 말했습니다. "양자 기술과 살아있는 시스템 사이의 점점 더 중요해지는 연결을 보는 것은 정말 흥미 롭습니다."

Advances in Science 기사에서 Kurian은 물리학과 정보 사이의 본질적인 연결을 확인한 긴 물리학자 목록에서 기본적인 양자 특성과 열역학적 고려 사항을 설명하고 재검토합니다. 그의 팀이 생체 섬유에서 자외선 여기 큐비트를 발견함에 따라 지구상의 거의 모든 생명체는 제어된 양자 자유도로 계산할 수 있는 물리적 능력을 갖게 되었으며, 최신 격자 기반 표면 코딩을 훨씬 능가하는 오류 수정 주기로 양자 정보를 저장하고 처리할 수 있습니다. "뜨거운 수프에 다 들어 있어요!" 양자 컴퓨팅 커뮤니티는 진지한 관심을 기울여야 한다"고 쿠리안은 말했다.

이 연구는 또한 MIT (Massachusetts Institute of Technology)의 기계 공학 교수이자 양자 컴퓨팅 및 우주의 컴퓨팅 파워에 대한 연구의 선구자 인 양자 물리학 자 Seth Lloyd의 관심을 끌었습니다. "나는 지구의 살아있는 시스템이 살아 있는 동안 처리하는 정보의 총량에 계산의 기본 물리학을 적용하려는 쿨리안 박사의 대담하고 상상력 넘치는 노력에 박수를 보냅니다. 살아있는 시스템이 인공 시스템보다 훨씬 더 계산 능력이 뛰어나다는 것을 상기하는 것이 좋습니다. ”

우주의 장엄한 설계에서 생명의 위치

쿠리안은 "인공지능과 양자 컴퓨터의 시대에는 물리 법칙이 그들의 모든 행동을 제한한다는 사실을 기억하는 것이 중요하다"고 말했다. "그러나 이러한 엄격한 물리적 한계는 우주의 일부를 추적하고, 관찰하고, 이해하고, 시뮬레이션하는 생명체의 능력에도 적용되지만, 우리는 여전히 우주의 이야기가 펼쳐짐에 따라 그 안의 영광스러운 질서를 탐구하고 이해할 수 있습니다. 우리가 그런 역할을 할 수 있다는 것은 대단한 일입니다. ”