上海交通大学量子力学教授

❶ 上海交通大学金贤敏、唐豪团队实现基于三维光量子芯片的绿硫细菌光合作用能量输运量子模拟

上海交通大学物理与天文学院的金贤敏、唐豪团队，基于三维集成光量子芯片，实现了对绿硫细菌光合作用能量输运的量子模拟。他们将绿硫细菌色素-蛋白复合物的特性精准映射到光子波导阵列，包括复合物之间的耦合、单个位点的在位能、复合物环境的有色噪声、激子的重组能、以及激子传输的振动辅助。研究成果发表在2024年3月11日的npj Quantum Information期刊上，题为「Simulating Photosynthetic Energy Transport on a Photonic Network」。

量子模拟在生物体中量子现象的研究中具有重要应用。自量子力学建立以来，量子生物学理论的探讨逐渐兴起，特别是对绿硫细菌内部的色素-蛋白复合物Fenna–Matthews–Olsen（FMO）中的量子效应观察。当前研究将FMO复合物中能量输运视为开放量子系统中的量子随机行走，描述能量在复合物七个菌绿素分子之间传输到反应中心的过程，而蛋白质骨架构成了包含经典噪声的环境。

对FMO能量输运进行量子模拟面临挑战，包括精确映射七个分子的哈密顿量、考虑真实生物环境的有色噪声能谱、以及研究光合作用中涉及的前沿现象，如激子转移、振动辅助等。研究团队通过多年深入研究，利用三维光量子芯片，设计波导阵列，成功将FMO复合物的特性映射到量子系统中，进行充分的量子模拟实验。

实验模型展示了重组能、能量输运中的振动协助、激子转移、能量局域等生物学概念的探讨。团队通过实验观测，发现不同幅度的有色噪声对能量输运效率的影响，能量输运在特定噪声幅值下达到最优效率，与激子转移和能量局域理论一致。实验工作为环境辅助量子输运（ENAQT）提供了一次重要的实验观测，加深了对生物体光合作用等能量输运过程的理解。

该研究的共同第一作者为上海交通大学物理与天文学院的唐豪博士后和博士生尚晓文，通讯作者为金贤敏教授。合作者包括英国帝国理工学院的M.S.Kim教授等。中国科学院光生物学重点实验室的马菲老师在学术研讨会中提到的振动辅助等光合作用新兴研究方向，为团队提供了深入研究的启示。

研究工作得到包括国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、量子科学与技术创新计划、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会、中国博士后科学基金会等项目的支持。

论文链接: doi.org/10.1038/s41534-...