龙桂鲁、阮东研究团队成功完成光合作用的能量传输的量子模拟实验

2018年11月01日

近日,我系龙桂鲁教授、阮东教授、博士生王碧雪和博士后陶明杰与北京师范大学、台湾大学和日本理化研究所合作,在核磁共振量子系统中完成了光合作用能量传输的量子模拟,以“Efficient quantum simulation of photosynthetic light harvesting”为题于10月22日在Nature出版集团期刊npj Quantum Information上发文,报道了研究成果。

(a)包含4个发色团的光合作用系统;(b)用于核磁共振量子计算机的氯仿分子。

(a)四发色团系统中的能量传输量子动力学过程;(b)短时间放大图

自然界的光合作用系统中能量传输的效率近乎100% ,2007年以来的一系列实验研究表明,其中存在量子相干效应,引起了物理、生物、化学和材料等研究领域的科学家们的广泛关注,为利用量子相干性提高太阳能电池的效率提供了一种新的可能途径。在龙桂鲁、阮东教授的研究中,他们利用核磁共振技术对光合作用中能量传输的量子动力学进行了精确的实验模拟。氯仿分子中的碳原子核和氢原子核具有秒级长的相干保持时间,被选作两个量子比特用于核磁共振实验。作者采用bath engineering 技术,模拟光合作用中任意谱密度的系统与环境相互作用,并利用GRAPE技术,将任意结构的光合作用系统映射到核磁共振系统。结果表明,采用log2N 个量子比特,可以有效地模拟具有任意系统哈密顿量和环境谱密度、包含N 个发色团的光合作用系统。如果用经典级联运动方程(hierarchical equation of motion)模拟这样一个系统的计算复杂度是exp(N),而采用量子模拟的计算复杂度大幅度降低到N 的多项式。而且核磁共振模拟的复杂度不受环境谱密度的影响,当环境谱密度变得复杂时,用核磁共振量子计算机进行量子模拟尤其具有优势。

文中所发展的这些技术对于阐明量子相干性在能量传输中的作用,设计高效率的人工光合作用系统提供了有效的途径。

清华大学物理系博士生王碧雪、博士后陶明杰、北京师范大学艾清副教授为文章的共同第一作者,龙桂鲁教授和北京师范大学邓富国教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委员会、北京未来芯片先进创新中心、北京量子信息科学研究院、国家基础研究项目的资助。

 

原文链接:

https://www.nature.com/articles/s41534-018-0102-2