Pré-Publication, Document De Travail Année : 2022

"What is life?": Open quantum systems approach

Qu'est ce que la vie? Ouvrir le point de vue des systèmes quantiques

Irina Basieva
  • Fonction : Auteur
Andrei Khrennikov
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 926371

Résumé

Recently the quantum formalism and methodology started to be applied to modelling of information processing in biosystems, mainly to the process of decision making and psychological behaviour (but some applications to microbiology and genetics are considered as well). Since a living system is fundamentally open (an isolated biosystem is dead), the theory of open quantum systems is the most powerful tool for life modelling. In this paper, we turn to the famous Schrödinger book "What is life?" and reformulate his speculations in terms of this theory. Schrödinger pointed to order preservation as one of the main distinguishing features of biosystems. Entropy is the basic quantitative measure of order. In physical systems, entropy has the tendency to increase (Second Law of Thermodynamics for isolated classical systems and dissipation in open classical and quantum systems). Schrödinger emphasized the ability of biosystems to beat this tendency. We demonstrate that systems processing information in the quantum-like way can preserve the order-structure expressed by the quantum (von Neumann or linear) entropy. We emphasize the role of the special class of quantum dynamics and initial states generating the camel-like graphs for entropy-evolution in the process of interaction with a new environment E : 1) entropy (disorder) increasing in the process of adaptation to the specific features of E ; 2) entropy decreasing (order increasing) resulting from adaptation; 3) the restoration of order or even its increase for limiting steady state. In the latter case the steady state entropy can be even lower than the entropy of the initial state.

Récemment, le formalisme et la méthodologie quantiques ont commencé à être appliqués à la modélisation du traitement de l'information dans les biosystèmes, principalement au processus de prise de décision et au comportement psychologique (mais certaines applications à la microbiologie et à la génétique sont également envisagées). Puisqu'un système vivant est fondamentalement ouvert (un biosystème isolé est mort), la théorie des systèmes quantiques ouverts est l'outil le plus puissant pour modéliser la vie. Dans cet article, nous nous tournons vers le célèbre livre de Schrödinger "Qu'est-ce que la vie?" et reformuler ses spéculations en fonction de cette théorie. Schrödinger a souligné la préservation de l'ordre comme l'une des principales caractéristiques distinctives des biosystèmes. L'entropie est la mesure quantitative de base de l'ordre. Dans les systèmes physiques, l'entropie a tendance à augmenter (deuxième loi de la thermodynamique pour les systèmes classiques isolés et dissipation dans les systèmes classiques et quantiques ouverts). Schrödinger a souligné la capacité des biosystèmes à battre cette tendance. Nous démontrons que les systèmes traitant l'information de manière quantique peuvent préserver la structure d'ordre exprimée par l'entropie quantique (de von Neumann ou linéaire). Nous soulignons le rôle de la classe spéciale de la dynamique quantique et des états initiaux générant les graphes en forme de chameau pour l'évolution de l'entropie dans le processus d'interaction avec un nouvel environnement E : 1) l'entropie (désordre) augmente dans le processus d'adaptation à l'environnement spécifique caractéristiques de E ; 2) entropie décroissante (ordre croissant) résultant de l'adaptation ; 3) la restauration de l'ordre ou même son augmentation pour limiter l'état stationnaire. Dans ce dernier cas, l'entropie de l'état stationnaire peut être encore plus faible que l'entropie de l'état initial.

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  • HAL Id : hal-03847661 , version 1

Citer

Irina Basieva, Andrei Khrennikov. "What is life?": Open quantum systems approach. 2022. ⟨hal-03847661⟩
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