http://www.bioon.com 生物谷 近日,，美國科學(xué)家首次記錄并量化了光合作用中的量子糾纏,。研究表明，在綠色植物中的光合作用中,，量子糾纏是量子力學(xué)效應(yīng)的一種自然屬性,，量子糾纏能夠在一個(gè)生物系統(tǒng)中存在并且持續(xù)一段時(shí)間。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期的《自然·物理學(xué)》雜志上,。
綠色植物通過光合作用將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,，其轉(zhuǎn)化效率接近100%。如此之高效率的關(guān)鍵在于傳遞速度,，光合作用如何完成近乎瞬間的能量轉(zhuǎn)移一直是個(gè)謎,。
加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家格雷漢姆·弗萊明帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)曾在2009年的《物理化學(xué)年鑒》上指出，通過光合作用得到的量子力學(xué)效應(yīng)是綠色植物的一種關(guān)鍵能力,，它可以瞬時(shí)地將捕光復(fù)合物分子中的太陽能傳輸給光電反應(yīng)中心的復(fù)合物分子,，完成能量的轉(zhuǎn)移,。
現(xiàn)在，包括弗萊明在內(nèi)的一個(gè)聯(lián)合研究小組確定,，在綠色植物的光合作用中,，量子糾纏是量子力學(xué)效應(yīng)的一種自然屬性。之前的科學(xué)結(jié)論認(rèn)為,，量子糾纏是一種非常脆弱的狀態(tài),，很難得到和維持，而研究人員現(xiàn)在證明,，量子糾纏能夠在一個(gè)生物系統(tǒng)中存在并且持續(xù)一段時(shí)間,。
研究人員在大量FMO復(fù)合物(FMO是綠硫細(xì)菌的一個(gè)分子聚合物，被認(rèn)為是研究光合能量傳遞的模式分子)中發(fā)現(xiàn)了量子糾纏存在的證據(jù),，這些糾纏的持續(xù)時(shí)間一般為幾皮秒(1皮秒=10-12秒),，并會(huì)持續(xù)穿過大約30埃(1埃=10-10米，相當(dāng)于一個(gè)氫原子的直徑)的距離,，直到激發(fā)能被反應(yīng)中心捕捉到,。這是科學(xué)家首次在真正的生物系統(tǒng)中捕獲和量化量子糾纏。
研究人員表示,，這個(gè)持續(xù)時(shí)間很長的,、非平衡的糾纏也會(huì)出現(xiàn)在如紫色光合細(xì)菌LH1和LH2等更大的捕光化合物中；而更大的捕光化合物也能夠制造和支持更多的激發(fā)能來獲得更多樣的糾纏狀態(tài),。
該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),，量子糾纏持續(xù)地存在于離散的捕光復(fù)合物的分子之間，而且溫度對(duì)糾纏程度的影響微乎其微,。在量子信息領(lǐng)域,，溫度通常被認(rèn)為對(duì)糾纏等量子特性非常不利，但是,，在諸如捕光化合物的系統(tǒng)中,，量子糾纏或可免受溫度升高帶來的影響。
該研究團(tuán)隊(duì)最終的目的是要更好地理解自然界是如何在分子系統(tǒng)間傳遞能量,，以及是如何將此能量轉(zhuǎn)化為可利用形式的,。科學(xué)家表示,，從一個(gè)分子向另一個(gè)分子傳遞能量的光合技術(shù)是大自然最令人神迷的才能之一,。如果我們能夠?qū)W著模擬這個(gè)過程,，就能夠?qū)崿F(xiàn)人造光合作用,，從而有效地把太陽能轉(zhuǎn)化為清潔、高效,、可持續(xù)且碳中性的能源,。（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦原文出處：
Nature Physics doi:10.1038/nphys1652
Quantum entanglement in photosynthetic light-harvesting complexes
Mohan Sarovar1,2, Akihito Ishizaki2,3, Graham R. Fleming2,3 & K. Birgitta Whaley1,2
Light-harvesting components of photosynthetic organisms are complex, coupled, many-body quantum systems, in which electronic coherence has recently been shown to survive for relatively long timescales, despite the decohering effects of their environments. Here, we analyse entanglement in multichromophoric light-harvesting complexes, and establish methods for quantification of entanglement by describing necessary and sufficient conditions for entanglement and by deriving a measure of global entanglement. These methods are then applied to the Fenna–Matthews–Olson protein to extract the initial state and temperature dependencies of entanglement. We show that, although the Fenna–Matthews–Olson protein in natural conditions largely contains bipartite entanglement between dimerized chromophores, a small amount of long-range and multipartite entanglement should exist even at physiological temperatures. This constitutes the first rigorous quantification of entanglement in a biological system. Finally, we discuss the practical use of entanglement in densely packed molecular aggregates such as light-harvesting complexes.
1 Berkeley Center for Quantum Information and Computation, Berkeley, California 94720, USA
2 Department of Chemistry, University of California, Berkeley, California 94720, USA
3 Physical Bioscience Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, California 94720, USA
