光合作用集光过程中能量转移的量子效应

近期的二维电子光谱实验成功发现了生物光合作用的集光过程有持续的量子相干。本项目拟通过发展新的理论、数值模拟方法，研究复杂蛋白质环境下集光体系高效的量子相干能量转移，量子纠缠的时间演化，并将其应用到有机太阳能材料。（1）我们将发展一种新的含非马尔科夫效应的广义量子主方程，研究FMO, LH1，LH2等色素蛋白复合物中能量转移的动力学过程，定量计算能量转移效率最优化的条件，分析非局域量子相干对能量转移的贡献。（2）我们将计算量子纠缠的时间演化，考察它与系统、环境的依赖关系，分析量子信息与能量转移的关联性，得出高效能量转移的微观机理。（3）我们将辅以动力学蒙特卡洛模拟，研究PSI、PSII复合物， LH1、LH2的集合，以及有机共轭聚合物的能量、电子转移过程。分析如何优化有机共轭聚合物的形态结构来提高光电转换和能量转移的效率。

针对自然捕光蛋白复合物中的高效能量转移，本项目从量子耗散动力学框架出发，进行了深入、系统的理论研究。1）提出了“束缚自由子空间”的理论概念，给出了在弱耗散极限下噪声增强能量转移的微观机理，进而说明了环境引发的能量转移最优化的普遍性。该研究成果以第一作者发表在《物理评论快报》。2）利用布局流网络分析的方法，确定了经典理论和量子理论描述能量转移的差异。并应用量子动力学展开方法逐项分析高阶效应，理解环境弛豫，多体量子相干，量子相位干涉等的影响。3）独立发展了基于团簇的广义量子动力学展开方法，在国际上首次建立了团簇量子动力学的严格理论框架。确定了多色素分子Forster理论以外的修正效应。在系统-环境分离初态下，广义量子动力学展开方法能同时得到团簇内与团簇间的严格量子动力学行为。该理论方法可在未来应用在大尺度的复杂体系中（如PSII，有机半导体材料等）。4）独立提出了极小模型分析方法，确定了能量转移网络的最约化团簇结构，刻画了多色素分子协同的能量转移行为。将极小模型分析方法应用在FMO和LHCII的工作以第一及通讯作者发表在《物理化学杂志快报》上。5）针对自旋-玻色系统的量子动力学行为，我们拓展了量子动力学展开方法，提出了连分重求和方法，通过系统性引入高阶修正，可准确预言不同温度、不同噪声强度下的量子耗散动力学行为。6）将级联方程拓展到一般的环境谱密度上，可准确预言不同温度下（特别是零温的）自旋-玻色系统的量子动力学。