Goudlokje in quantumland

Wie is Goudlokje eigenlijk?
“Dat is een meisje uit een sprookje dat in een bos een verlaten huis van drie beren binnenwandelt. In het huis is alles in drievoud. De ene stoel is te groot, de andere te klein en een derde precies goed. De ene kom pap is te warm, de andere te koud en de derde precies goed. En het ene bed is te hard, een ander te hard en eentje is precies goed. Goudlokje kiest precies het juiste niveau van temperatuur, zachtheid en grootte. Het sprookje eindigt ermee dat de drie beren thuiskomen en het meisje aantreffen dat hun pap gegeten heeft en in een van hun bedden slaapt. Er zijn verschillende variaties in de afloop. Sommige verhalen lopen beter af dan andere.”

En wat heeft dat met quantummechanica te maken?
“Dat kwam door een artikel in de New York Times van zeven jaar geleden. Dat stelde dat bacteriën quantumberekeningen uitvoeren. We moesten er eerst erg om lachen, maar het gaat om de overdracht van energie bij fotosynthese: het omzetten van licht in chemische energie. Licht wordt omgezet in een energiegolf die we een exciton noemen. Die golf reist door een ingewikkeld molecuul (het fotocomplex) naar het reactiecentrum waar de energie van meerdere fotonen wordt opgeteld en omgezet in een chemische verbinding. Dat fotosynthetische proces blijkt in bacteriën en met verbazende efficiëntie te verlopen. Het artikel liet zien dat die efficiëntie het gevolg was van goed getunede quantummechanica.”

Hoe gaat dat dan?
“Als je het fotocomplex ziet onder een elektronenmicroscoop is het een rommeltje. Je kunt je moeilijk voorstellen dat een energiegolf, een exciton, zich daar doorheen kan bewegen. En toch gebeurt dat. Met horten en stoten. Als de golf ergens blijft steken, komt er toch weer beweging in de zaak doordat het hele molecuul staat te schudden door de warmtebeweging. Maar als het fotocomplex teveel staat te schudden, dan komt de energiegolf er ook niet meer doorheen.”

Ruis als smeermiddel?
“Het gaat om precies het juiste niveau van het schudden waardoor het transport zo efficiënt verloopt. Het proces verloopt alleen optimaal bij een bepaalde temperatuur. Net als Goudlokje alles precies op het juiste niveau uitzoekt. Vandaar de naam.”

De evolutie heeft zich dus quantummechnisch ontwikkeld?
“Dat ligt aan je interpretatie. Sommigen zeggen dat God een ontwerpster is met een verbazende beheersing van de quantummechanica. Anderen zullen concluderen dat ziljoenen bacteriën niet voor niks zijn gestorven.”

Seth Lloyd maakt zijn verhaal over energietransport en ruis graag duidelijk met een dans (zie Youtube).