Các hệ thống sinh học, từng được cho là quá hỗn loạn đối với các hiệu ứng lượng tử, có thể lặng lẽ sử dụng cơ học lượng tử để xử lý thông tin nhanh hơn bất cứ thứ gì do con người tạo ra.

Nghiên cứu mới cho thấy điều này xảy ra không chỉ trong não mà còn trong tất cả sự sống, bao gồm cả vi khuẩn và thực vật.

Di sản của Schrödinger đã truyền cảm hứng cho một bước nhảy vọt

Hơn 1944 năm trước, nhà vật lý lý thuyết Erwin Schrödinger đã có một loạt các bài giảng công khai có ảnh hưởng tại Đại học Trinity Dublin. Những cuộc trò chuyện này được rút ra từ các truyền thống vật lý và triết học hiện đại, chẳng hạn như Schopenhauer và Upanishad, và sau đó được xuất bản vào năm 0 với tựa đề Cuộc sống là gì? 》

Giờ đây, trong Năm Quốc tế Khoa học và Công nghệ Lượng tử năm 2025, Philip Culian – một nhà vật lý lý thuyết và là giám đốc sáng lập của Phòng thí nghiệm Sinh học Lượng tử (QBL) tại Đại học Howard ở Washington, D.C. – đã thiết lập những ý tưởng cơ bản của Schrödinger.

Sử dụng các nguyên tắc của cơ học lượng tử và khám phá QBL gần đây, cho thấy các đặc tính quang học lượng tử của các sợi tế bào xương, Kurian đề xuất một giới hạn trên được cập nhật cơ bản về tổng khả năng xử lý thông tin của sự sống dựa trên carbon trong lịch sử Trái đất. Những phát hiện của ông, được công bố trên tạp chí Science Advances, cũng cho thấy có thể có mối liên hệ giữa giới hạn sinh học này và giới hạn tính toán của tất cả vật chất trong vũ trụ có thể quan sát được.

"Công trình này kết nối các trụ cột lớn của vật lý thế kỷ 20 - nhiệt động lực học, thuyết tương đối và cơ học lượng tử - và cung cấp manh mối cho một sự thay đổi mô hình lớn trong khoa học sinh học, điều tra tính khả thi và ý nghĩa của việc xử lý thông tin lượng tử trong phần mềm ướt ở nhiệt độ môi trường", Curian nói. "Các nhà vật lý và vũ trụ học nên vật lộn với những khám phá này, đặc biệt là khi họ xem xét nguồn gốc của sự sống trên Trái đất và những nơi khác trong vũ trụ có thể ở được, đã tiến hóa với trường điện từ".

Những thách thức lượng tử trong hệ thống sống

Tác động của cơ học lượng tử - định luật vật lý mà nhiều nhà khoa học tin rằng chỉ áp dụng cho quy mô nhỏ - nhạy cảm với sự giao thoa. Đó là lý do tại sao máy tính lượng tử phải được giữ ở nhiệt độ lạnh hơn không gian bên ngoài và chỉ những vật thể nhỏ như nguyên tử và phân tử mới thể hiện các đặc tính lượng tử. Theo tiêu chuẩn lượng tử, các hệ thống sinh học là môi trường khá thù địch: chúng ấm áp và hỗn loạn, và thậm chí các thành phần cơ bản của chúng - chẳng hạn như tế bào - cũng được coi là lớn.

Nhưng nhóm của Kurian đã phát hiện ra một hiệu ứng lượng tử khác biệt trong các polyme protein trong dung dịch nước vào năm ngoái tồn tại trong các điều kiện quy mô vi mô đầy thách thức này và có thể cung cấp một cách để não tự bảo vệ mình khỏi các bệnh thoái hóa như Alzheimer và chứng mất trí nhớ liên quan. Phát hiện của họ cung cấp các ứng dụng và nền tảng mới cho các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử, đồng thời đại diện cho một cách suy nghĩ mới về mối quan hệ giữa sự sống và cơ học lượng tử.

Trong bài báo Advances in Science của mình, Kurian chỉ xem xét ba giả định quan trọng: cơ học lượng tử tiêu chuẩn, giới hạn tốc độ tương đối tính do ánh sáng thiết lập và mật độ khối lượng năng lượng tới hạn trong vũ trụ bị vật chất thống trị. Giáo sư Marco Pettini của Đại học Aix-Marseille và Trung tâm Vật lý lý thuyết của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (Pháp) cho biết: "Kết hợp với những tiền đề khá vô hại này, xác nhận thực nghiệm đáng chú ý về siêu bức xạ đơn photon trong các cấu trúc sinh học có mặt ở khắp mọi nơi trong trạng thái cân bằng nhiệt đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới cho quang học lượng tử, lý thuyết thông tin lượng tử, vật lý vật chất ngưng tụ, vũ trụ học và vật lý sinh học". "Anh ấy không liên quan gì đến công việc này.

Tín hiệu lượng tử ở tốc độ ánh sáng

Phân tử quan trọng đạt được những đặc tính phi thường này là tryptophan, một axit amin được tìm thấy trong nhiều protein hấp thụ tia cực tím và phát ra lại ở bước sóng dài hơn. Một mạng lưới tryptophan lớn được hình thành trong các vi ống, sợi amyloid, thụ thể xuyên màng, capsid virus, lông mao, centrioles, tế bào thần kinh và các phức hợp tế bào khác. Xác nhận của QBL về siêu bức xạ lượng tử trong các sợi tế bào xương có ý nghĩa sâu rộng, tức là tất cả các sinh vật nhân chuẩn đều có thể sử dụng các tín hiệu lượng tử này để xử lý thông tin.

Để phân hủy thức ăn, các tế bào trải qua quá trình hô hấp hiếu khí sử dụng oxy và tạo ra các gốc tự do, giải phóng các hạt tia cực tím năng lượng cao gây hại. Tryptophan có thể hấp thụ tia cực tím này và phát ra lại nó ở năng lượng thấp hơn. Và, như nghiên cứu của QBL cho thấy, một mạng tryptophan rất lớn có thể làm điều này hiệu quả và ổn định hơn do các hiệu ứng lượng tử mạnh.

Mô hình tiêu chuẩn của tín hiệu sinh hóa liên quan đến các ion di chuyển qua tế bào hoặc màng, tạo ra gai trong các quá trình điện hóa mất vài mili giây cho mỗi tín hiệu. Nhưng khoa học thần kinh và các nhà nghiên cứu sinh học khác chỉ mới nhận ra rằng đây không phải là toàn bộ câu chuyện. Sự siêu phát quang của các sợi tế bào xương này xảy ra trong khoảng một picosecond - một phần triệu micro giây. Mạng lưới tryptophan của chúng có thể hoạt động giống như một sợi lượng tử, cho phép các tế bào nhân chuẩn xử lý thông tin nhanh hơn hàng tỷ lần so với các quá trình hóa học đơn thuần.

Giáo sư Majed Chergui của Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Thụy Sĩ) và Elettra Sincrotrone Trieste (Ý) cho biết: "Tác động của những hiểu biết sâu sắc của Curian là rất nổi bật. "Họ hỗ trợ 2024 năm nghiên cứu thực nghiệm." Sinh học lượng tử, và đặc biệt là quan sát của chúng ta về dấu hiệu siêu bức xạ của các phương pháp quang phổ protein tiêu chuẩn dưới sự hướng dẫn lý thuyết của ông, có tiềm năng mở ra triển vọng mới để hiểu sự tiến hóa của các hệ thống sống từ góc độ quang vật lý. ”

Quyền năng của sự sống thiêng liêng

Tin rằng quá trình xử lý tin sinh học diễn ra chủ yếu ở cấp độ tế bào thần kinh, nhiều nhà khoa học bỏ qua thực tế là các sinh vật thần kinh - bao gồm vi khuẩn, nấm và thực vật, tạo nên phần lớn sinh khối của Trái đất - cũng đang thực hiện các tính toán phức tạp. Vì những sinh vật này đã tồn tại trên Trái đất lâu hơn nhiều so với động vật, chúng chiếm phần lớn các tính toán dựa trên carbon của Trái đất.

"Có những đặc điểm tương tự như các chất phát lượng tử trong môi trường giữa các vì sao và trên các tiểu hành tinh liên hành tinh, có thể là tiền thân cho sự vượt trội về tính toán của sinh vật nhân chuẩn", Dante Lauretta, giáo sư khoa học hành tinh và hóa vũ trụ tại Đại học Arizona và giám đốc Trung tâm Sinh học Thiên văn Arizonal, người không tham gia vào công việc cho biết. Các dự đoán của Currian cung cấp ranh giới định lượng vượt ra ngoài phương trình Drake phổ biến về cách các hệ thống sự sống siêu bức xạ có thể tăng cường sức mạnh tính toán của hành tinh. Bản chất nổi bật của cách truyền tín hiệu và xử lý thông tin này có thể là một yếu tố thay đổi cuộc chơi cho việc nghiên cứu các ngoại hành tinh có thể ở được. ”

Cuộc gặp gỡ về sinh học và công nghệ lượng tử

Phân tích mới nhất này cũng đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu điện toán lượng tử, vì sự tồn tại của các hiệu ứng lượng tử mỏng manh trong môi trường "ồn ào" là mối quan tâm lớn đối với những người muốn làm cho công nghệ thông tin lượng tử có khả năng phục hồi tốt hơn. Kurian đã nói chuyện với một số nhà nghiên cứu điện toán lượng tử, những người đã ngạc nhiên khi tìm thấy mối liên hệ này trong khoa học sinh học.

"Những so sánh hiệu suất mới này sẽ được quan tâm bởi một số lượng lớn các nhà nghiên cứu trong các hệ thống lượng tử mở và công nghệ lượng tử", Giáo sư Nicolò defu của ETH Zurich, Thụy Sĩ, một nhà nghiên cứu lượng tử không liên quan đến công trình này cho biết. "Thật thú vị khi thấy mối liên hệ ngày càng quan trọng giữa công nghệ lượng tử và các hệ thống sống."

Trong bài báo Tiến bộ trong Khoa học, Kurian giải thích và xem xét lại các tính chất lượng tử cơ bản và các cân nhắc nhiệt động lực học, từ một danh sách dài các nhà vật lý đã xác định được mối liên hệ thiết yếu giữa vật lý và thông tin. Với việc nhóm của ông phát hiện ra các qubit kích thích tia cực tím trong sợi sinh học, hầu hết tất cả sự sống trên Trái đất đều có khả năng vật lý để tính toán với bậc tự do lượng tử được kiểm soát, cho phép thông tin lượng tử được lưu trữ và xử lý với các khoảng thời gian sửa lỗi vượt xa mã hóa bề mặt dựa trên mạng tinh thể mới nhất. "Tất cả đều có trong súp nóng!" Cộng đồng điện toán lượng tử nên chú ý nghiêm túc", Kurian nói.

Công trình này cũng thu hút sự chú ý của nhà vật lý lượng tử Seth Lloyd, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và là người tiên phong trong điện toán lượng tử và nghiên cứu về sức mạnh tính toán của vũ trụ. "Tôi hoan nghênh những nỗ lực táo bạo và giàu trí tưởng tượng của Tiến sĩ Coolian trong việc áp dụng vật lý cơ bản của tính toán vào tổng lượng thông tin được xử lý bởi các hệ thống sống trên Trái đất trong suốt cuộc sống. Thật tốt khi được nhắc nhở rằng các hệ thống sống có tính toán mạnh hơn nhiều so với các hệ thống nhân tạo. ”

Vị trí của sự sống trong thiết kế vĩ đại của vũ trụ

"Trong thời đại của trí tuệ nhân tạo và máy tính lượng tử, điều quan trọng cần nhớ là các định luật vật lý hạn chế tất cả hành vi của chúng", Kurian nói. "Tuy nhiên, trong khi những giới hạn vật lý nghiêm ngặt này cũng áp dụng cho khả năng theo dõi, quan sát, hiểu và mô phỏng các phần của vũ trụ của sự sống, chúng ta vẫn có thể khám phá và hiểu trật tự vinh quang bên trong nó khi câu chuyện về vũ trụ mở ra. Thật tuyệt vời khi chúng tôi có thể đóng một vai trò như vậy. ”