Quantum metrology for biological systems

Abstract

This thesis outlines three main projects which link biology, quantum information, and metrology. It culminates with future perspectives on quantum biology and various research related to the brain. The first project begins with an examination of quantum information, moving from theoretical concepts to their practical implementation in biological environments. It tackles the issue of maintaining quantum coherence and entanglement despite the presence of environmental noise in open quantum systems. Geometrical optimization using buffer spins as a protective network of the quantum information in the central spin is introduced. Furthermore, the phenomenon of entanglement in a corresponding biological context is investigated by carrying out preliminary analysis of a more realistic system, the Posner cluster. In the second project, the focus shifts to quantum sensing, with particular attention to the Nitrogen-Vacancy (NV) center, a point defect in diamond. The role of NV centers as sensitive probes is examined in biological contexts, particularly for detecting magnetic fields. The application of spin squeezing to NV centers, when considered as qutrit (three-level) systems, may potentially improve the precision of magnetic field measurements. This precision is quantified using Quantum Fisher Information. Moreover, the integration of a selective bioresponsive material, such as hydrogel, that act as a transducer in the measurement setup could open new avenues to a wider range of biological measurements. The third project explores the use of quantum light to probe biological systems. It examines how quantum mechanics, particularly multipartite photon entanglement, can enhance our understanding of vision. This is achieved through simulations of psychophysical experiments, utilizing entanglement witnesses, a class of observables used to detect entanglement. Starting with bipartite entangled state, and then, generalizing to tripartite case, the probability of seeing of the human eye is determined for a certain range of additive noise levels and visual thresholds. The results shed light on the human eye's capacity to witness entanglement. The three topics covered demonstrate the intertwining relationship between biology and quantum physics. This is further detailed as future perspectives of research by posing some of the most intriguing and fundamental questions of all time in science. A special emphasis of the connection of this relationship to the brain is laid. Eventually, building on such endeavors will become the groundwork of significant potential contributions to future developments in biological and medical sciences.

Bu tez, biyoloji, kuantum bilgisi ve metrolojiyi birleştiren üç ana projeyi özetlemektedir. Kuantum biyolojisi ve beyinle ilgili çeşitli araştırmalarla ilgili gelecekteki perspektiflerle bitmektedir. İlk proje, kuantum bilgisi incelemesiyle başlar ve teorik kavramlardan biyolojik ortamlarda pratik uygulamalarına geçer. Açık kuantum sistemlerinde çevresel gürültünün varlığına rağmen kuantum koherens ve dolanıklığın nasıl sürdürülebileceği sorununu ele alır. Merkezi spinin kuantum bilgisini korumak için tampon spinlerin kullanıldığı geometrik optimizasyon yöntemi tanıtılmaktadır. Ayrıca, karşılık gelen biyolojik bağlamda dolanıklık fenomeni, daha gerçekçi bir sistem olan Posner kümesinin ön analizleri yapılarak incelenir. İkinci projede, odak noktası kuantum algılamaya kayar ve özellikle elmas içindeki bir nokta kusuru olan Azot-Boşluk (NV) merkezine dikkat edilir. NV merkezlerinin biyolojik bağlamlarda, özellikle manyetik alanları tespit etmek için hassas prob olarak rolü incelenir. NV merkezleri, üç seviyeli (qutrit) sistemler olarak düşünüldüğünde, spin sıkıştırma tekniği kullanılarak manyetik alan ölçümlerinin hassasiyeti potansiyel olarak artırılabilir. Bu hassasiyet, Kuantum Fisher Bilgisi kullanılarak ölçülür. Ayrıca, ölçüm düzeninde transdüser olarak hareket eden hidrojel gibi seçici biyo- duyarlı bir malzemenin entegrasyonu, daha geniş bir biyolojik ölçüm yelpazesine yeni yollar açabilir. Üçüncü proje, biyolojik sistemleri araştırmak için kuantum ışığının kullanımını araştırır. Kuantum mekaniğinin, özellikle çok parçacıklı foton dolanıklığının, görme anlayışımızı nasıl geliştirebileceğini inceler. Bu, psikofiziksel deneylerin simülasyonları, dolanıklığı tespit etmek için kullanılan bir gözlemler sınıfı olan dolanıklık tanıklarını kullanarak başarılır. İki parçacıklı dolanık durumla başlayıp ardından üç parçacıklı duruma genelleme yaparak, belirli bir aralıktaki gürültü seviyeleri ve görsel eşikler için insan gözünün görme olasılığı belirlenir. Sonuçlar, insan gözünün dolanıklığı tanıklama kapasitesine ışık tutar. Ele alınan üç konu, biyoloji ve kuantum fiziği arasındaki iç içe geçen ilişkiyi göstermektedir. Bu, bilimde tüm zamanların en ilginç ve temel sorularından bazılarını ortaya koyarak gelecekteki araştırma perspektifleri olarak daha ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Bu ilişkinin beyinle bağlantısına özel bir vurgu yapılmıştır. Sonuçta, bu tür çabalara dayanarak, biyolojik ve tıbbi bilimlerde gelecekteki gelişmelere önemli katkılar sağlayacak temeller oluşturulacaktır.