叶子里的量子物理：光合作用中的凝聚态

什么是激子凝聚

激子是由电子和空穴（电子空缺）配对而形成的准粒子，它们可以在固体材料中传递能量。激子是玻色子，也就是说，它们遵循玻色-爱因斯坦统计，可以占据同一个量子态。当温度足够低或者激子密度足够高时，许多激子可以凝聚到一个相干的量子态中，形成激子凝聚体。

这种现象类似于玻色-爱因斯坦凝聚，也就是我们熟知的超流和超导现象的原理。 激子凝聚体具有非常特殊的性质，其中之一就是能够实现无摩擦的能量传输，也就是说，激子可以在材料中自由地流动，而不受任何阻碍或损耗。这对于寻找高效的能源转换和利用系统具有重要的意义，但是实现激子凝聚并不容易，因为激子通常寿命很短，很容易通过复合而衰变。目前已知能够产生激子凝聚体的材料有限，而且通常需要在极端的条件下（如低温、高磁场、高纯度等）才能观察到。

光合作用中的能量传输

与此相反，自然界中存在着一种在常温下实现高效能量传输的机制，那就是光合作用。光合作用是生物体将光能转化为化学能的过程，其中一个关键步骤是光捕获复合物对光子的吸收和转移。光捕获复合物由一系列色素分子组成，每个色素分子可以吸收特定波长的光，并将其转化为电子激发态。这些电子激发态可以在色素分子之间进行跃迁，形成色素分子间的激子。最终，这些激子会被反应中心捕获，并触发一系列化学反应，将光能转化为化学能。

光合作用中的能量传输非常高效，在某些情况下甚至可以达到近乎100%的效率。这种高效的能量传输是如何实现的呢？科学家们已经发现，光合作用中的能量传输并不是简单的经典跃迁，而是涉及到量子相干效应。也就是说，色素分子间的激子可以处于叠加态，同时存在于多个可能的路径上。

这样，激子就可以通过量子隧穿或者量子干涉等方式，更快地找到最优的传输路径，从而提高能量传输的效率和速度。这种量子相干效应在常温下是很难保持的，因为会受到环境的扰动和噪音的影响，但是光合作用中的光捕获复合物却能够利用一些特殊的机制，如色素分子的排列、振动和保护等，来维持一定程度的量子相干。

激子凝聚类似的能量传输放大

那么，光合作用中的能量传输和激子凝聚有什么关系呢？这就是最近发表的一篇论文要探讨的问题。作者提出了一个假设：在光合作用中，是否存在一种激子凝聚类似的机制，可以放大能量传输中的激子数量，从而增强能量传输的效率和速度？

为了验证这个假设，作者采用了一个光合作用中最简单也最常用的模型系统，即Fenna-MatthewsOlson（FMO）复合物。FMO复合物是一种存在于绿色硫细菌中的光捕获复合物，由七个色素分子组成，每个色素分子可以用一个量子比特来描述。

作者在这个模型的基础上，引入了一个新的因素，考虑每个色素分子内部的电子关联。也就是说，每个色素分子不再是一个简单的量子比特，而是由多个量子比特组成的一个多体系统。这样，每个色素分子就可以有多种激发态，而不仅仅是基态和单激发态。

作者通过数值模拟，研究了这种电子关联对能量传输的影响。 作者发现，在考虑电子关联的情况下，能量传输中出现了一种激子凝聚类似的放大效应，也就是说，在某些条件下，激子的数量会超过初始激发的光子的数量，从而增加了能量传输的强度。

这种放大效应是通过粒子-空穴约化密度矩阵（RDM）来观察的。RDM是一种描述多体系统中部分粒子之间关联的数学工具，可以用来计算系统的一些物理量，如能量、熵等。 粒子-空穴RDM是一种特殊的RDM，它描述了系统中存在的粒子和空穴之间的关联，也就是激子的关联。

作者发现，在考虑电子关联的情况下，粒子-空穴RDM中出现了一些非零对角元素，这意味着系统中存在着多个激子，并且它们处于相同的量子态，类似于激发子凝聚体。 作者进一步分析了这种激子凝聚类似的放大效应的特点和影响因素。

他们发现，这种放大效应是随着能量传输的动力学而演化的，并且受到色素分子间和色素分子内部的纠缠的影响。作者发现，在考虑电子关联的情况下，色素分子间和色素分子内部都会产生一定程度的纠缠，并且这些纠缠会影响激子凝聚类似的放大效应的大小和性质。

此外，作者还发现，初始激发模型（即选择哪些色素分子作为初始激发源）和每个色素分子包含的量子比特数量也会影响放大效应。 最后，作者还探讨了如何调节色素分子内部的耦合强度来优化能量传输的速率。他们发现，在考虑电子关联的情况下，通过改变色素分子内部不同量子比特之间的耦合强度，可以显著地提高能量传输到反映中心的速率，并且存在一个最佳耦合强度，可以使能量传输速率达到最大值。

在这个最佳耦合强度下，能量传输速率可以比不考虑电子关联的情况下提高近100%。

审核编辑：刘清