量子模拟光合作用等生物分子现象

Studying the Bio-processes and the Bio-functions, revealing and promoting the development of bionic technology at the molecular scale, and implementing large scale quantum phenomenon has important theoretical and realistic values. Recent investigations show that, some of the quantum effects exist in the bio-molecular systems; these effects take participation in the biological functions and can play vital roles in promoting the functions. Based on these essential quantum effects in the bio-systems, such as superposition, quantum coherence and quantum entanglement, by considering the roles of the quantum effects contribute to the biologic functions; on one hand, we aim to simulate some specific biological processes and phenomena, such as light-harvesting complexes and intramolecular cooling of enzymes, by using the existing mature techniques of the quantum hybrid systems; on the other hand, we plan to show quantum phenomena in large scales based on the bio-molecular systems. Theoretical research and simulation on quantum information process of bio-molecules by means of quantum coherence and quantum entanglement will be carried out in this project by the same time. In the present project, by developing new combined research of bio-molecular systems and quantum physics, we plan to reveal physical mechanism of biological phenomena in the molecular scales; we will provide theoretical research foundation for the application systems to widen quantum control and its method,and for development of quantum devices with the bio-molecular systems.

学习和掌握生物过程及其功能、从分子尺度揭示并促进仿生技术发展，以及实现较大尺度量子现象具有重要的理论和实际价值。最新的研究表明，一些生物分子体系中存在量子效应，这些效应参与生物功能过程并能起到促进作用。本项目旨在根据生物分子体系中的量子叠加、量子相干性、量子纠缠等量子体系特有的效应，及结合这些量子效应对生物功能所起的作用，一方面，基于成熟的量子混合体系技术和手段，模拟光合作用捕光复合分子体系能量传输过程、蛋白酶分子内冷却等特定的生物过程及其现象；另一方面，基于具备量子效应的生物分子体系，实现较大尺度的量子现象。同时开展生物分子利用量子相干、量子纠缠进行量子信息过程的理论研究和模拟。本项目将通过对生物分子体系和量子物理新的结合性研究，从分子尺度揭示生物分子现象的物理机制，为拓宽量子调控的应用体系及其手段、发展基于生物分子体系的量子器件的研发提供理论基础。

量子力学的新发展和量子效应的研究目前已经渗透到了生物、化学和材料等前沿领域，利用已经趋于成熟的量子电路、光力系统等量子体系开展量子模拟研究，可以在很多方面突破经典极限，从而实现经典体系无法达到的性能。其中，对于生物分子体系的量子模拟研究，有助于对生物体系的性能及其运行机理进行基础性的学习和掌握。作为量子模拟的关键，选择合适的量子载体甚至复合载体作为模拟的对象，即量子模拟器，同时研究清楚其量子性能、耦合强度、耦合速度等十分关键。本成果基于申报的研究预案和具体的研究内容，围绕量子超导电路、微机械振子、量子表面声学波等体系，构建形成能够制备出量子基态、相干叠加态、薛定谔猫态以及压缩、纠缠、诱导透明等特有量子特性的量子复合系统模拟器，这些模拟器对于生物分子体系的模拟可适性很强。同时也对光合作用色素分子体系的量子效应、生物分子驱动马达等进行了直接的研究，取得了系列研究成果，发表在PRL、NJP、PR系列等期刊。成果对相关其他研究具有重要的学术参考价值。