Квантовая запутанность ускоряет перенос энергии в молекулярных системах

Ключевым аспектом исследования было определение, эффективнее ли энергия, начинающаяся полностью на одном донорном участке, или в делокализованной или запутанной суперпозиции, распределенной по двум или более донорным участкам. Автор: Университет Райса

Исследование, проведенное в Университете Райса и опубликованное в журнале PRX Quantum, показало, что энергия передается между молекулярными участками быстрее, когда она начинается в запутанном, делокализованном квантовом состоянии, а не с одного участка. Это открытие может привести к созданию более эффективных материалов для улавливания света, которые улучшают преобразование энергии света в другие формы энергии.

Многие биохимические процессы, включая фотосинтез, зависят от быстрого и эффективного переноса энергии после поглощения. Понимание того, как квантово-механические эффекты, такие как запутанность, влияют на эти процессы при комнатной температуре, может существенно изменить наш подход к созданию искусственных систем, имитирующих эффективность природы.

«Делокализация начального возбуждения по нескольким участкам ускоряет перенос способами, которых невозможно достичь, начиная с одного участка», — сказал Гвидо Пагано, соответствующий автор исследования и доцент кафедры физики и астрономии.

Модель и метод

В исследовании используется упрощенная модель молекулы, состоящей из двух областей: донора, где энергия изначально поглощается, и акцептора, куда энергия должна в конечном итоге поступить. Энергия может «перепрыгивать» между участками внутри каждой области; хотя более длинные прыжки менее вероятны, они все же включены в модель. Модель также учитывает взаимодействия с окружающей средой, которые могут связываться с колебаниями молекулы и влиять на процесс переноса энергии.

Ключевым аспектом исследования было определение, эффективнее ли энергия, начинающаяся полностью на одном донорном участке, или в делокализованной или запутанной суперпозиции, распределенной по двум или более донорным участкам. Исследователи изучили, влияет ли это квантово-механическое свойство на скорость переноса в системе с дальнодействующими взаимодействиями.

«Начало в делокализованном квантовом состоянии предоставляет системе больше путей, — сказал Пагано. — Наши симуляции показывают, что эта добавленная когерентность позволяет быстрее передавать энергию акцептору, даже в присутствии шума окружающей среды».

Результаты и последствия

Исследовательская группа обнаружила, что когда энергия начинается в запутанном начальном состоянии, перенос к акцептору происходит значительно быстрее, чем в сценариях, когда энергия начинается на одном участке. Этот вывод справедлив для различных параметров модели, включая силу связи с окружающей средой, диапазон взаимодействий между участками и неупорядоченность внутри системы.

«Это позволяет предположить, что природа может использовать запутанность и когерентность для оптимизации скорости переноса возбуждения, тем самым повышая устойчивость этого процесса», — сказал Пагано.

Хотя модель намеренно минималистична, исследователи утверждают, что ее последствия распространяются на более сложные молекулярные системы. Они предлагают, что экспериментальные тесты можно провести с использованием управляемых квантовых платформ, таких как системы с захваченными ионами, для моделирования физики молекулярного переноса энергии.

«Наша цель — соединить абстрактный мир квантовой информации с осязаемыми механизмами, наблюдаемыми в биологии, — сказал Диего Фальяс Падилья, первый автор исследования и выпускник Университета Райса. — Это исследование служит шагом к иллюстрации того, что квантовая когерентность — это не просто теоретическое любопытство, а практический компонент замысла природы».

Соавторами исследования являются Висал Со, Абхишек Менон, Роман Журавель и Хань Пу из Университета Райса.

Больше информации: Diego Fallas Padilla et al, Delocalized Excitation Transfer in Open Quantum Systems with Long-Range Interactions, PRX Quantum (2025). DOI: 10.1103/bxwl-sbsn

Источник: Rice University