美解密植物光合作用中的量子糾纏
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- 時間:2010-5-13 9:27:12 來源:科技日報
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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生物系統(tǒng)中存在并且持續(xù)一段時間。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)的研究團隊曾在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生物系統(tǒng)中存在并且持續(xù)一段時間。
研究人員在大量FMO復(fù)合物(FMO是綠硫細(xì)菌的一個分子聚合物，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)時間一般為幾皮秒(1皮秒=10-12秒)，并會持續(xù)穿過大約30埃(1 埃=10-10米，相當(dāng)于一個氫原子的直徑)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，這個持續(xù)時間很長的、非平衡的糾纏也會出現(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)。
該研究團隊還發(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。
該研究團隊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，從一個分子向另一個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。
