Experimenty nicméně ukázaly, že exciton ve skutečnosti trefí správnou cestu s téměř stoprocentní úspěšností. To je ovšem matematicky nemožné − pokud rostlina nefunguje jako kvantový počítač. A nevyužívá faktu, že částice mikrosvěta dokážou být ve více stavech najednou i na více místech najednou. Exciton tak ve skutečnosti v jeden okamžik prochází všechny možné trasy do úložiště a zhmotní se teprve na konci té, která je pro něj nejefektivnější.

Zjednodušeně funguje fotosyntéza tak, že na list rostliny dopadne foton, částice světla. Jeho energii rostlina převezme pomocí excitonu, který si lze představit jako velmi rychle se vybíjející baterii. K tomu, aby o takto nabytou energii rostlina záhy nepřišla, ji musí rychle dostat do úložiště. A k tomuto skladu energie vedou spletité cesty. Pokud se na ně excitony vydají, je pravděpodobné, že řada z nich do cíle nedojde, protože se mezitím vybijí.

Podobně jako kvantový počítač pracuje rostlina při fotosyntéze. To je naprosto klíčový proces nejen pro rostliny, ale pro život vůbec. Bez schopnosti rostlin provádět fotosyntézu by život nemohl existovat.

Vyřešit hypotetický problém může běžnému počítači trvat stovky let, zatímco kvantový to dokáže během pár minut. To je například důvod, proč mají z nástupu silných kvantových počítačů obavy kryptografici. Prolomení sebesložitějšího hesla by mohlo zabrat jen minuty.

je zastoupení počtu případů, kdy dokáže rostlina dopravit energii ze slunečních paprsků ve svých listech do energetického úložiště. To je matematicky nemožné, pokud nefunguje stejně jako kvantový počítač.

Schopnost částice být ve více stavech najednou − stav superpozice − ilustruje známý příměr o Schrödingerově kočce. Myšlenkový experiment stojí na kočce, která je uzavřená v krabici s jedovatým plynem. Uvolnění plynu závisí na tom, zda dojde k radioaktivnímu rozpadu jiné látky přítomné v krabici. Pravděpodobnost, že se tak stane, je 1 : 1. Pokud dojde k rozpadu, detektor v krabici to zaznamená, uvolní jedovatý plyn a kočku usmrtí. Na tuto látku v podobě několika atomů se ale vztahují zákony mikrosvěta, a tudíž zůstává v superpozici. To znamená, že k radioaktivnímu rozpadu zároveň došlo i nedošlo. Kočka by tedy v principu měla být mrtvá i živá. Platí to ale pouze do té doby, dokud výzkumník krabici neotevře a nepodívá se. V tu chvíli musí být už kočka mrtvá, nebo živá.

A to je podstata problému. Částice je v superpozici pouze do té doby, než se na ni někdo nebo něco nepodívá. Podívat se na částici znamená například vyslat k ní světlo − foton, jenž se od ní odrazí a přenese informaci o jejím stavu do oka. Při tomto odrazu, interakci, se ale superpozice částice zhroutí, rozhodne se o stavu, ve kterém bude. Teprve v tuto chvíli by se mělo dle paradoxu rozhodnout, zda je kočka mrtvá, nebo živá.

To je odpověď i na otázku, jak je možné, že se mikrosvět tolik liší od námi vnímané reality. Stůl nemůže být na více místech zároveň, neboť se na něj pořád někdo nebo něco dívá. Kvantové jevy lze proto pozorovat zejména u elementárních částic − to jsou ty nejzákladnější, u nichž není známo, zda se skládají ještě z menších částic. Neboť jednotlivé části větších složených těles na sebe působí a ruší vzájemné superpozice.

Proto největší obtíží, se kterou se vědci u stavby kvantových počítačů setkávají, je právě udržet jeho klíčové komponenty v superpozici. K tomu využívají nadstandardních podmínek, kdy jádro kvantového počítače udržují v extrémně nízkých teplotách. Jak ale ukázal výzkum fotosyntézy, rostliny zřejmě dokážou udržet stav superpozice excitonů za zcela běžných podmínek.

Kvantový počítač: při hře šachy prochází všechny partie v jednotlivých tazích najednou. Tedy například místo devíti milionů úkonů, jako normálnímu počítači, mu stačí udělat tři. Ilustrace: Jindřich Janíček

Želvušky to otestují

Další, před dvěma týdny zveřejněný výzkum ukazuje, že kvantové jevy si dokázaly pravděpodobně ochočit i některé bakterie. Skupina výzkumníků z Oxfordu oznámila, že se podařilo kvantově provázat bakterii s fotony. Konkrétně k tomu mělo dojít při experimentu v roce 2016, kdy s bakteriemi experimentovala jiná skupina vědců.

Vzali bakterie, umístili je mezi zrcadla a pustili dovnitř bílé světlo. Fotony se pak odrážely od stěn zrcadel přibližujících se k sobě až na blízkost tloušťky vlasu a interagovaly s molekulami zodpovědnými za fotosyntézu u dané bakterie. Fotony byly z bakterie vypouštěny a následně zase pohlcovány. Podle vedoucí týmu Chiary Marlettové a jejích spolupracovníků došlo při tomto experimentu k takzvanému kvantovému provázání fotonů a molekul uvnitř bakterie.

Kvantové provázání je společně s již popisovaným principem superpozice jádrem fyziky mikrosvěta. Provázané částice spolu dokážou komunikovat na jakoukoliv vzdálenost bez zpoždění a jakákoliv změna u jedné se okamžitě projeví u druhé. Například elektron má vlastnost, které se říká spin. A pokud jsou dva elektrony provázané, jsou propojené i touto vlastností.

Pokud lidé jeden elektron pošlou ke Slunci a jeden nechají na Zemi a následně se na ten na Zemi podívají, superpozice zkolabuje, jak již bylo vysvětleno u experimentu s kočkou, a elektron si vybere jeden spin. Fascinující je, že to stejné v ten stejný okamžik udělá elektron u Slunce. Vybere si automaticky opačný spin. Dozvídáme se informaci o elektronu u Slunce navzdory tomu, že světlu by cesta trvala 8,5 minuty, což by měla být i nejvyšší rychlost, jakou lze přenášet informaci. Proč tomu tak je a jaká je podstata tohoto jevu, zatím nikdo neví.

Zmíněná "Schrödingerova bakterie" schopná kvantového provázání patří do kmene zelených sirných bakterií. Žijí v temných hloubkách oceánu, kde chybí živiny a počítá se každý foton, který do temnoty pronikne. Mohlo by to znamenat, že bakterie si vyvinula schopnost využívat kvantových jevů, aby dokázala z fotonů při fotosyntéze dostat co nejvíce energie.

Že ke kvantovému provázání skutečně došlo, je poměrně pravděpodobné i podle nezávislých odborníků. Pro řadu vědců věnujících se kvantové biologii to navíc není zas až tak překvapivé. Někteří už pracují na experimentech, ve kterých by kvantově provázali samotné bakterie. Cílem jednoho týmu je pak dostat do superpozice dokonce želvušku, což je nejodolnější bezobratlý živočich na Zemi. Je odolný vůči radioaktivitě i zimě, a dokáže tak bez problémů přežít i ve vesmírném vakuu.

Simulace života na kvantovém počítači

Kvantová biologie ale dokáže vysvětlit i řadu dalších věcí, na které vědci dosud nestačili. Červenka obecná je malý ptáček, jehož skandinávské populace migrují pravidelně do teplých krajin. Otázkou je, jak je možné, že vždy trefí na správné místo. Experimenty ukazují, že hlavní slovo zde opět hrají kvantové jevy.

Červenka má v pravém oku něco na princip kompasu, díky kterému vidí samotné siločáry Země, tedy magnetické pole. Siločáry jsou u rovníku téměř rovnoběžné, zatímco směrem k pólům se sbíhají. Červenka se tak dle nich dokáže orientovat a pozná, kde je. Princip fungování kompasu stojí opět na jevu kvantového provázání. Když na protein kryptochrom v oku červenky dopadne světlo, vymrští elektrony. Tyto elektrony jsou provázané, tedy reagují stejně na magnetické pole Země. Díky jejich reakci, synchronizovanému "tanci", tak červenka pozná s přesností kolem pěti stupňů, kde na planetě se právě nachází.

Všechny výše zmíněné příklady naznačují, že fyzik Erwin Schrödinger mohl mít před 70 lety pravdu, když ve své knize Co je život? navrhl, že to, co odlišuje neživé věci od živých, je fakt, že živé jsou schopné pracovat s kvantovými jevy a vytvářet na úrovni mikrosvěta řád.

Někteří vědci si například hrají s myšlenkou, že samotné kódování informací v DNA je závislé na kvantových jevech. V lidské DNA je zakódováno více než 100 milionů bitů užitečné informace, zbytek jsou zřejmě neaktivní pozůstatky z minulosti. Při přepočtu změn v kódu za posledních 50 tisíc let vychází, že za jeden rok projde lidstvo evolucí o velikosti jednoho bitu. Proto lidé vyvíjí metody, které dokážou tuto evoluci urychlit. Například NASA uvedla, že počítá s tím, že by na Mars mohli letět lidé s upravenou DNA, díky které by byli odolnější vůči radiaci. Pochopení způsobu, jakým dochází ke změně DNA, je proto nesmírně důležité pro budoucnost lidstva.

Výzkumy zabývající se tím, zda lze život vysvětlit pomocí kvantové mechaniky, běží naplno. Vědci letos začali s pokusy simulovat pomocí algoritmů život na kvantových počítačích IBM. Objevují se i myšlenky, že samotné vědomí je produktem kvantových jevů. Zde už jde čistě o hypotézy, těmi ale byly ještě před několika lety i popisované kvantové jevy u rostlin nebo bakterií. V každém případě má kvantová biologie potenciál změnit svět.