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===8.3. Operation of biological functions through decoherence===
===8.3.Funcionamiento de las funciones biológicas a través de la decoherencia===
To make the previous considerations concrete, let us consider a pure quantum state as the initial state. Suppose that a biological function  <math>F</math> is dichotomous, <math>F=0,1
Para concretar las consideraciones anteriores, consideremos un estado cuántico puro como estado inicial. Supongamos que una función biológica <math>F</math>es dicotómica, <math>F=0,1
</math>, and it is symbolically represented by the Hermitian operator that is diagonal in orthonormal basis <math>|0\rangle</math>,<math>|1\rangle</math> . (We consider the two dimensional state space — the qubit space.) Let the initial state has the form of superposition
</math>, y está representado simbólicamente por el operador hermitiano que es diagonal en base ortonormal <math>|0\rangle</math>,<math>|1\rangle</math> .(Consideramos el espacio de estado bidimensional, el espacio qubit). Deje que el estado inicial tenga la forma de superposición


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where <math>c_j\in C,|c_0|^2+||c_1|^2=1</math>. The quantum master dynamics is not a pure state dynamics: sooner or later (in fact, very soon), this superposition representing a pure state will be transferred into a density matrix representing a mixed state. Therefore, from the very beginning it is useful to represent superposition (28) in terms of a density matrix:  
dónde <math>c_j\in C,|c_0|^2+||c_1|^2=1</math>. La dinámica del maestro cuántico no es una dinámica de estado puro: tarde o temprano (de hecho, muy pronto), esta superposición que representa un estado puro se transferirá a una matriz de densidad que representa un estado mixto. Por lo tanto, desde el principio es útil representar la superposición (28) en términos de una matriz de densidad:  


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State’s purity, superposition, is characterized by the presence of nonzero off-diagonal terms.
La pureza del estado, la superposición, se caracteriza por la presencia de términos distintos de cero fuera de la diagonal.


Superposition encodes uncertainty with respect to the concrete state basis, in our case <math>|0\rangle</math>,<math>|1\rangle</math>. Initially biological function <math>F</math>  was in the state of uncertainty between two choices <math>x=0,1</math>. This is ''genuine quantum(-like) uncertainty.'' Uncertainty, about possible actions in future. For example, for psychological function (Section 10)  <math>F</math> representing answering to some question, say “to buy property” ( <math>F=1</math>) and its negation ( <math>F=0</math>) , a person whose state is described by superposition (28) is uncertain to act with  ( <math>F=1</math>)  or with ( <math>F=0</math>) . Thus, a superposition-type state describes ''individual uncertainty,'' i.e., uncertainty associated with the individual biosystem and not with an ensemble of biosystems; with the single act of functioning of <math>F</math>  and not with a large series of such acts.
La superposición codifica la incertidumbre con respecto a la base del estado concreto, en nuestro caso <math>|0\rangle</math>,<math>|1\rangle</math>.Inicialmente función biológica <math>F</math>  estaba en el estado de incertidumbre entre dos opciones <math>x=0,1</math>. Esta es una incertidumbre cuántica (como) genuina. Incertidumbre, sobre posibles acciones en el futuro. Por ejemplo, para la función psicológica (Sección 10) <math>F</math>representando responder a alguna pregunta, digamos "comprar una propiedad"( <math>F=1</math>) y su negacion ( <math>F=0</math>) , una persona cuyo estado se describe por superposición (28) no está seguro de actuar con ( <math>F=1</math>) o con ( <math>F=0</math>) . Así, un estado de tipo superposición describe la incertidumbre individual, es decir, la incertidumbre asociada con el biosistema individual y no con un conjunto de biosistemas; con el solo acto de funcionamiento de <math>F</math> y no con una gran serie de tales actos.


Resolution of uncertainty with respect to <math>\widehat{F}-basis</math> is characterized by washing off the off-diagonal terms in (29) The quantum dynamics (24) suppresses the off-diagonal terms and, finally, a diagonal density matrix representing a steady state of this dynamical systems is generated:  
Resolución de la incertidumbre con respecto a <math>\widehat{F}-basis</math> se caracteriza por lavar los términos fuera de la diagonal en (29) La dinámica cuántica (24) suprime los términos fuera de la diagonal y, finalmente, se genera una matriz de densidad diagonal que representa un estado estacionario de estos sistemas dinámicos:  


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This is a classical statistical mixture. It describes an ensemble of biosystems; statistically they generate outputs <math>F=\alpha</math> with probabilities <math>p_\alpha</math>. In the same way, the statistical interpretation can be used for a single system that performs <math>F</math>-functioning at different instances of time (for a long time series).
Esta es una mezcla estadística clásica. Describe un conjunto de biosistemas; estadísticamente generan salidas <math>F=\alpha</math> con probabilidades  <math>p_\alpha</math>.De la misma manera, la interpretación estadística se puede utilizar para un solo sistema que realiza  <math>F</math>-funcionando en diferentes instancias de tiempo (para una larga serie de tiempo).


In quantum physics, the process of washing off the off-diagonal elements in a density matrix is known as the ''process of decoherence.'' Thus, the described model of can be called operation of biological function through decoherence.
En física cuántica, el proceso de eliminar los elementos fuera de la diagonal en una matriz de densidad se conoce como proceso de decoherencia. Así, el modelo descrito de puede llamarse funcionamiento de la función biológica a través de la decoherencia.


===8.4. Linearity of quantum representation: exponential speed up for biological functioning===
===8.4.Linealidad de la representación cuántica: aceleración exponencial del funcionamiento biológico===


The quantum-like modeling does not claim that biosystems are fundamentally quantum. A more natural picture is that they are a complex classical biophysical systems and the quantum-like model provides the information representation of classical biophysical processes, in genes, proteins, cells, brains. One of the advantages of this representation is its linearity. The quantum state space is a complex Hilbert space and dynamical equations are linear differential equations. For finite dimensional state spaces, these are just ordinary differential equations with complex coefficients (so, the reader should not be afraid of such pathetic names as Schrödinger, von Neumann, or Gorini–Kossakowski–Sudarshan–Lindblad equations). The classical biophysical dynamics beyond the quantum information representation is typically nonlinear and very complicated. The use of the linear space representation simplifies the processing structure. There are two viewpoints on this simplification, external and internal. The first one is simplification of mathematical modeling, i.e., simplification of study of bioprocesses (by us, external observers). The second one is more delicate and interesting. We have already pointed to one important specialty of applications of the quantum theory to biology. Here, systems can perform ''self-observations.'' So, in the process of evolution say a cell can “learn” via such self-observations that it is computationally profitable to use the linear quantum-like representation. And now, we come to the main advantage of linearity.  
El modelado de tipo cuántico no afirma que los biosistemas sean fundamentalmente cuánticos. Una imagen más natural es que son sistemas biofísicos clásicos complejos y el modelo cuántico proporciona la representación de información de procesos biofísicos clásicos, en genes, proteínas, células, cerebros. Una de las ventajas de esta representación es su linealidad. El espacio de estado cuántico es un espacio de Hilbert complejo y las ecuaciones dinámicas son ecuaciones diferenciales lineales. Para espacios de estado de dimensión finita, estas son solo ecuaciones diferenciales ordinarias con coeficientes complejos (por lo tanto, el lector no debe temer nombres tan patéticos como ecuaciones de Schrödinger, von Neumann o Gorini-Kossakowski-Sudarshan-Lindblad). La dinámica biofísica clásica más allá de la representación de la información cuántica suele ser no lineal y muy complicada. El uso de la representación del espacio lineal simplifica la estructura de procesamiento. Hay dos puntos de vista sobre esta simplificación, externa e interna. El primero es la simplificación del modelado matemático, es decir, la simplificación del estudio de bioprocesos (por nosotros, observadores externos). El segundo es más delicado e interesante. Ya hemos señalado una especialidad importante de las aplicaciones de la teoría cuántica a la biología. Aquí, los sistemas pueden realizar autoobservaciones. Entonces, en el proceso de evolución, digamos que una célula puede "aprender" a través de tales autoobservaciones que es computacionalmente rentable usar la representación lineal de tipo cuántico. Y ahora, llegamos a la principal ventaja de la linealidad.  


The linear dynamics exponentially speeds up information processing. Solutions of the GKSL-equation can be represented in the form <math>\widehat{\rho}(t)=e^{t\widehat{\Gamma}}\widehat{\rho}</math>, where <math>{\widehat{\Gamma}}</math> is the superoperator given by the right-hand side of the GKSL-equation. In the finite dimensional case, decoherence dynamics is expressed via factors of the form <math>e^{t{(ia-b)}}</math>, where <math>b>0</math>. Such factors are exponentially decreasing. Quantum-like linear realization of biological functions is exponentially rapid comparing with nonlinear classical dynamics.
La dinámica lineal acelera exponencialmente el procesamiento de la información. Las soluciones de la ecuación GKSL se pueden representar en la forma <math>\widehat{\rho}(t)=e^{t\widehat{\Gamma}}\widehat{\rho}</math>, dónde <math>{\widehat{\Gamma}}</math> es el superoperador dado por el lado derecho de la ecuación GKSL. En el caso de dimensión finita, la dinámica de decoherencia se expresa a través de factores de la forma <math>e^{t{(ia-b)}}</math>,dónde <math>b>0</math>. Dichos factores están disminuyendo exponencialmente. La realización lineal de tipo cuántico de las funciones biológicas es exponencialmente rápida en comparación con la dinámica clásica no lineal.


The use of the quantum information representation means that generally large clusters of classical biophysical states are encoded by a few quantum states. It means huge information compressing. It also implies increasing of stability in state-processing. Noisy nonlinear classical dynamics is mapped to dynamics driven by linear quantum(-like) equation of say GKSL-type.  
El uso de la representación de información cuántica significa que, en general, grandes grupos de estados biofísicos clásicos están codificados por unos pocos estados cuánticos. Significa una gran compresión de información. También implica un aumento de la estabilidad en el procesamiento de estado. La dinámica clásica no lineal ruidosa se asigna a la dinámica impulsada por una ecuación cuántica lineal (similar) de, digamos, tipo GKSL.  


The latter has essentially simpler structure and via selection of the operator coefficients encoding symbolically interaction within the system  <math>S</math> and with its surrounding environment <math>\varepsilon</math>,  <math>S</math> can establish dynamics with stabilization regimes leading to steady states.
Este último tiene una estructura esencialmente más simple y, a través de la selección de los coeficientes del operador, codifica simbólicamente la interacción dentro del sistema. <math>S</math> y con su entorno circundante <math>\varepsilon</math>,  <math>S</math> pueden establecer dinámicas con regímenes de estabilización que conducen a estados estacionarios.
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