ETD

• Biomimicry
• Disorder
• Noise Assisted Transport
• Quantum Biology
• Quantum Physics

The aim of this PhD project is to study methodological ways and general models for describing a biological system by quantum means. The first part of the thesis is devoted to review useful background discussing the historical and experimental foundations of quantum biology. Two major modeling paradigms are introduced: the quantum-like approach and the multiscale approach. Original contributions are then presented. The first one is about a set of methods useful to investigate biological phenomena: the search of a more efficient algorithm and an analytical model coming from thermodynamics. The second contribution discusses the development and analysis of a general spin-chain model for excitation transport under noise and disorder, seeking for universal behaviors relevant to biological energy transfer. The third contribution constructs a physics-based microscopic model for PhotoSystem I, to realistically simulate a light-harvesting complex behavior.
The fourth contribution elaborates on implications of my research along selected dimensions of Responsible Research and Innovation (RRI) in the NATO Women and Girls in Science Challenge. Finally, I present four appendices. The first two are about the exact diagonalization method and entanglement. The last ones present the literary counterpart of this scientific thesis: a study of a novella through the lens of quantum physics and a short book including an award-winning novella I wrote during my last PhD year.

L’obiettivo di questo progetto di dottorato è studiare approcci metodologici e modelli generali per descrivere un sistema biologico mediante la fisica quantistica. La prima parte della tesi è dedicata al background e discute i fondamenti storici e sperimentali della biologia quantistica. Vengono introdotti due principali paradigmi di modellizzazione: l’approccio quantum-like e l’approccio multiscala. Successivamente vengono presentati i contributi originali. Il primo riguarda un insieme di metodi utili per investigare fenomeni biologici: la ricerca di un algoritmo più efficiente e lo sviluppo di un modello analitico derivato dalla termodinamica. Il secondo contributo riguarda lo sviluppo e l’analisi di un modello generale a catena di spin per il trasporto di eccitazioni in presenza di rumore e disordine, con l’obiettivo di individuare comportamenti universali rilevanti per il trasferimento di energia nei sistemi biologici. Il terzo contributo consiste nella costruzione di un modello microscopico fisico per il Photosystem I, al fine di simulare in modo realistico il comportamento di un light-harvesting complex. Il quarto contributo approfondisce le implicazioni della mia ricerca lungo alcune dimensioni della Responsible Research and Innovation (RRI), nell’ambito della NATO Women and Girls in Science Challenge. Infine, presento quattro appendici. Le prime due riguardano il metodo di diagonalizzazione esatta e l’entanglement. Le ultime due costituiscono la controparte letteraria di questa tesi scientifica: uno studio di un racconto mediante l'uso della filosofia quantistica e un breve libro che include un racconto premiato, scritto durante l’ultimo anno di dottorato.