上海交通大學量子力學教授

❶ 上海交通大學金賢敏、唐豪團隊實現基於三維光量子晶元的綠硫細菌光合作用能量輸運量子模擬

上海交通大學物理與天文學院的金賢敏、唐豪團隊，基於三維集成光量子晶元，實現了對綠硫細菌光合作用能量輸運的量子模擬。他們將綠硫細菌色素-蛋白復合物的特性精準映射到光子波導陣列，包括復合物之間的耦合、單個位點的在位能、復合物環境的有色雜訊、激子的重組能、以及激子傳輸的振動輔助。研究成果發表在2024年3月11日的npj Quantum Information期刊上，題為「Simulating Photosynthetic Energy Transport on a Photonic Network」。

量子模擬在生物體中量子現象的研究中具有重要應用。自量子力學建立以來，量子生物學理論的探討逐漸興起，特別是對綠硫細菌內部的色素-蛋白復合物Fenna–Matthews–Olsen（FMO）中的量子效應觀察。當前研究將FMO復合物中能量輸運視為開放量子系統中的量子隨機行走，描述能量在復合物七個菌綠素分子之間傳輸到反應中心的過程，而蛋白質骨架構成了包含經典雜訊的環境。

對FMO能量輸運進行量子模擬面臨挑戰，包括精確映射七個分子的哈密頓量、考慮真實生物環境的有色雜訊能譜、以及研究光合作用中涉及的前沿現象，如激子轉移、振動輔助等。研究團隊通過多年深入研究，利用三維光量子晶元，設計波導陣列，成功將FMO復合物的特性映射到量子系統中，進行充分的量子模擬實驗。

實驗模型展示了重組能、能量輸運中的振動協助、激子轉移、能量局域等生物學概念的探討。團隊通過實驗觀測，發現不同幅度的有色雜訊對能量輸運效率的影響，能量輸運在特定雜訊幅值下達到最優效率，與激子轉移和能量局域理論一致。實驗工作為環境輔助量子輸運（ENAQT）提供了一次重要的實驗觀測，加深了對生物體光合作用等能量輸運過程的理解。

該研究的共同第一作者為上海交通大學物理與天文學院的唐豪博士後和博士生尚曉文，通訊作者為金賢敏教授。合作者包括英國帝國理工學院的M.S.Kim教授等。中國科學院光生物學重點實驗室的馬菲老師在學術研討會中提到的振動輔助等光合作用新興研究方向，為團隊提供了深入研究的啟示。

研究工作得到包括國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會、量子科學與技術創新計劃、上海市科學技術委員會、上海市教育委員會、中國博士後科學基金會等項目的支持。

論文鏈接: doi.org/10.1038/s41534-...