解密植物光合作用中的量子糾纏(圖)

2010-05-12 15:31

科學家揭示了植物和某些細菌光合作用的能量傳遞原理

據美國物理學家組織網5月10日報導，美國科學家首次記錄並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效應的一種自然屬性，量子糾纏能夠在一個生物系統中存在並且持續一段時間。相關論文發表在betway体育手机网 一期的《自然·物理學》雜誌上。

綠色植物通過光合作用將太陽能轉化為化學能，其轉化效率接近100%。如此之高效率的關鍵在於傳遞速度，光合作用如何完成近乎瞬間的能量轉移一直是個謎。

加州大學伯克利分校的化學家格雷漢姆·弗萊明帶領的研究團隊曾在2009年的《物理化學年鑑》上指出，通過光合作用得到的量子力學效應是綠色植物的一種關鍵能力，它可以瞬時地將捕光複合物分子中的太陽能傳輸給光電反應中心的複合物分子，完成能量的轉移。

現在，包括弗萊明在內的一個聯合研究小組確定，在綠色植物的光合作用中，量子糾纏是量子力學效應的一種自然屬性。之前的科學結論認為，量子糾纏是一種非常脆弱的狀態，很難得到和維持，而研究人員現在證明，量子糾纏能夠在一個生物系統中存在並且持續一段時間。

研究人員在大量FMO複合物(FMO是綠硫細菌的一個分子聚合物，被認為是研究光合能量傳遞的模式分子)中發現了量子糾纏存在的證據，這些糾纏的持續時間一般為幾皮秒(1皮秒=10-12秒)，並會持續穿過大約30埃(1埃=10-10 米，相當於一個氫原子的直徑)的距離，直到激發能被反應中心捕捉到。這是科學家首次在真正的生物系統中捕獲和量化量子糾纏。

研究人員表示，這個持續時間很長的、非平衡的糾纏也會出現在如紫色光合細菌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製造和支持更多的激發能來獲得更多樣的糾纏狀態。

該研究團隊還發現，量子糾纏持續地存在於離散的捕光複合物的分子之間，而且溫度對糾纏程度的影響微乎其微。在量子信息領域，溫度通常被認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間傳遞能量，以及是如何將此能量轉化為可利用形式的。科學家表示，從一個分子向另一個分子傳遞能量的光合技術是大自然最令人神迷的才能之一。如果我們能夠學著模擬這個過程，就能夠實現人造光合作用，從而有效地把太陽能轉化為清潔、高效、可持續且碳中性的能源。