环境极化影响的量子动力学理论和应用

Quantum coherence plays an increasingly significant role in many biological, physical and chemical systems. The coherence not only exists in quantum systems, but also happens between systems and their environments. However, conventional quantum dissipation theories focus on the reduced system dynamics, and treat the environments as dissipative baths with almost no spectrum features. As a consequence, these theories are not applicable to environmental polarization or system-bath interference. The dissipaton equation of motion (DEOM) theory, developed recently by the applicant and collaborators, is a new method for quantum dynamics of open systems, which is capable of studying correlated system-environment dynamics rigorously. The proposed research is to further develop the DEOM framework, focusing on the external field modulation and environmental polarization effects. By combining ab initio and quantum chemistry computations, we plan to study excitation energy transfer and charge separation pathways in photosynthetic systems, coherent dynamics of crystal vibrations and electronic excitation in bilayer graphene under field modulation，and quantum coherence in these processes. Our study is expected to establish an efficient and practical method for realistic systems, and provide theoretical insights for nano-structured functional materials.

量子相干在生物物理化学系统中扮演着日趋重要的角色。这种相干行为不仅存在于量子体系内部，也发生在体系和复杂环境之间。然而，现有的耗散理论对动力学和光谱的解释通常仅考虑约化体系，而把环境当成近乎无特征谱带的热库。因此，这些理论无法描述环境极化响应和体系—环境量子相干行为。申请人和合作者最近发展的耗散子运动方程理论(DEOM)是开放体系学科的一个新方法，能精确处理体系—环境耦合实时动力学。本项目拟进一步发展该理论框架，侧重考察外场调制和环境极化效应对开放体系动力学影响。项目还将结合第一性原理和量子化学计算等手段，研究光合体系中激发能传递和电荷分离过程，外场调制的双层石墨烯中晶格振动与电子激发的耦合动力学，以及量子相干性在这些过程中的影响。项目研究不仅将发展一套高效、实用的实际体系动力学解决方案，也为纳米功能材料的研发提供理论参考。

在化学和生物反应中，核心系统与其周围环境之间的量子纠缠在动力学和热力学特性方面通常起着决定性作用。当系统-环境耦合较强以及非马尔科夫效应不可忽略时，这种量子效应会变得更加显著。传统的量子耗散理论方法由于忽视了溶剂化环境的自由度，或对系统-环境的耦合采用了近似处理，不再适用于上述研究。近来我们提出的耗散子运动方程(DEOM) 理论是一种研究开放系统量子动力学和量子热力学问题的严格方法，适用于处理系统与溶剂化环境的耦合问题。然而，在低温、强耦合、强非马尔科夫等条件下，DEOM中处理体系-环境耦合的多体耗散子密度矩阵数目十分庞大，已成为该方法面向实际体系应用的主要瓶颈。在本项目中，我们深入发展和优化了DEOM理论，主要进展包括：1）提出了适用于极低温度下玻色函数和费米函数的Fano谱分解（FSD）方案，并在此基础之上构建了优化的DEOM形式，使得DEOM可以处理低温强耦合问题；2） 提出了基于红黑树/前缀树等数据结构的多指标寻址方案，并通过结合动态过滤算法，开发了低内存需求、高运算效率的DEOM程序包；3）将部分量子动力学算法向GPU平台迁移，以进一步提升DEOM动态求解器的计算效率；4）发展了虚时耗散子代数以及虚时DEOM理论，用于探讨平衡态和动力学瞬态的量子热力学前沿研究。项目进一步完善了基于DEOM的开放系统量子动力学和量子热力学理论框架以及相关的数值计算方法和程序包，为挖掘微观生命科学和功能材料中的量子特性及其潜在应用价值提供有力的工具。