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结构与动力学

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量子测量适用于鸟类,但对植物而言并非必需

相干罗盘:这种知更鸟能进行量子测量吗?

一种新的通用方法来评估“quantumness”过程,例如某些鸟类感知地球的能力’磁场是由瑞士和美国的物理学家开发的。它涉及将过程描述为“quantum meter”它使用量子相干来测量磁场强度或光强度。 Atac Imamoglu ETH Z的ürich and 比吉塔·惠利(Birgitta Whaley) 加州大学伯克利分校的研究人员将其框架应用于鸟类导航和光合作用,并得出结论,只有前者完全依赖于量子相干性。

科学家认为某些鸟类使用地球导航’s magnetic field –一种实验证明,这是一种称为磁感受的想法,该实验表明,圈养的鸟类将对变化的磁场做出响应。了解这种情况是很难的。尽管生物分子中的电子自旋受到地球的影响’在磁场中,效应的大小是如此之小,以至于应通过热波动将其完全冲洗掉。但是,某些量子系统可能对外部磁场极为敏感,这就是为什么科学家认为某些鸟类可以通过进行量子测量而导航的原因。

自由基测量

一种这样的鸟是欧洲知更鸟,它似乎在其视觉系统中有磁受体分子。物理学家认为,当“cryptochrome”蛋白质吸收光。这会导致蛋白质上的黄素腺嘌呤(FAD)核苷酸形成激发的单重态自旋态,该态涉及两个电子自旋,且组合的自旋为零。然后,此状态以皮秒为单位衰减到“radical pair state”其中FAD电子之一的自旋被转移到约1.5的氨基酸 沿着蛋白质的长度在纳米级之外。

据认为,这种转移保留了量子相干性,并且由于每个自旋都与其周围环境隔离,因此所产生的自由基对保持相干量子态的时间大于10 ns。物理学家认为,这对于知更鸟进行量子测量应该足够长。

蛋白质在其中发生分离的方向为测量地球提供了空间参考’的磁场。特别是分离方向和地球的相对方向’s场影响自由基对向质子化态衰变的速率,质子化态为鸟提供信号’的神经系统。科学家认为这是质子化状态–或随后的化学反应– that links the bird’s传感系统对磁场的测量。

成功取决于一致性

在这项新工作中,Imomoglu和Whaley开发了一种通用方法来查看磁场测量中涉及的相互作用,从而确定该系统是否确实是量子计。在磁接收的情况下,他们得出结论,测量过程取决于自由基对的长寿命量子相干性。确实,Imomoglu告诉 physicsworld.com 量子相干性将系统测量磁场的能力提高了多个数量级。

但是,当Imamoglu和Whaley将其分析应用于光合作用时,他们得出了截然不同的结论。在这种情况下,量子仪是生色团分子的集合,生色团分子将能量从吸收的阳光转移到“reaction centre”能量以移动电子的形式提取。因此,量子计根据产生电子的速率来测量太阳光的强度。

测量过程从阳光开始“pumping”发光体从其电子基态变为激发态。然后,能量通过激子从这种状态转移到反应中心(电子–孔对),必须首先通过生色团的迷宫找到自己的出路。这涉及以类似于随机行走的过程从一个分子跳到另一个分子。这种转移比预期的发生得更快,更有效。这导致一些物理学家提出,激子通过所有可能途径的相干量子叠加而穿过发色团,这可以使激子找到到达反应中心的最有效路线,而激子很少丢失。

小改进

为了确定一致的转移是否有所不同,Imamoglu和Whaley研究了相关的时间尺度。如果激子在相当长的一段时间内保持连贯性,则它们应该更有可能到达目的地,从而提高量子计的性能。研究人员发现,这种增强最多为5–10%,因此光合作用无需量子相干即可起作用。

格雷戈里·斯科尔斯 普林斯顿大学教授告诉 physicsworld.com 量子相干在光合作用中的作用仍然是科学争论的问题。“我的观点是连贯性(无论是否’s quantum I don’t指定)是紧凑的光收集复合体中快速能量转移的必然结果,” he explains. “因此,自然可能并非以一致性为目标,但它可能会利用它‘unknowingly’通过优化能量传输速率。 ”

该研究描述于 体检E.

  • 文章中有更多关于生命的量子本质的信息 “The quantum life” 保罗·戴维斯(Paul Davies)
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