上海交通大学物理与天文学院金贤敏、唐豪课题组基于三维集成光量子芯片对哈密顿量的精准调控能力，将绿硫细菌色素-蛋白复合物之间的耦合、单个位点的在位能、复合物环境的有色噪声、激子的重组能、激子传输的振动辅助等生物特征精准映射到光子波导阵列，从而实现了对绿硫细菌光合作用能量输运的量子模拟，加深了对于环境辅助量子输运（ENAQT）研究领域的探讨。研究成果以「Simulating Photosynthetic Energy Transport on a Photonic Network」为题，于2024年3月11日在npj Quantum Information期刊上在线发表。

对生物体中量子现象的研究是量子模拟的一个重要应用。量子生物学的相关理论可追溯到量子力学建立早期，但直到近年才在绿硫细菌内部的色素-蛋白复合物Fenna–Matthews–Olsen（FMO）中观测到量子效应。当前的许多理论研究都将FMO复合物中的能量输运过程视为开放量子系统中的量子随机行走，即能量在FMO复合物的七个菌绿素分子之间传输直到反应中心，而环绕FMO复合物的蛋白质骨架构建了包含经典噪声的环境。

运用量子物理系统对FMO中能量输运进行量子模拟，面临着若干挑战。一是要求量子系统能够完整地映射真实FMO复合物结构七个分子的哈密顿量。这包含七个分子的相互作用耦合系数以及每个分子的在位能，而以往由于实验条件限制，一般只有少量位点可以得到定性演示。二是探讨环境引入噪声对于生物体能量输运的影响，这需要考虑到真实生物体的环境具有特定的有色噪声能谱。三是近年来生物界对于光合作用能量输运的研究涉及一些前沿的现象和概念，例如激子转移、振动辅助等，这在量子模拟研究中也需要得到映射与探讨。

图1：基于三维光波导阵列映射FMO复合物结构中七个分子的哈密顿量以及能量输运

研究团队经过多年持续深入挖掘，基于三维光量子芯片对FMO能量输运开展了充分的量子模拟实验工作。通过精准设计三维波导阵列构型，将七个位点的哈密顿量中代表相互耦合的非对角项映射入系统。同时，调控波导传输常数以实现七个对角线元素不同的基值，对应七个分子的不同在位能，并且实现对角线项动态调控，对应非马尔可夫有色噪声失谐项。

图2 通过调控波导传输常数，引入不同分子的定态在位能以及有色噪声失谐项，实现的有色噪声频谱与真实的FMO复合物分子的有色噪声频谱一致，白噪声频谱则与之形成明显对比。

基于波导阵列调控的实验模型，研究团队建立了模拟生物体能量输运的理论映射，展示了实验模型对重组能、能量输运中的振动协助、激子转移、能量局域等生物学概念的探讨。例如，基于重组能与环境噪声方差的线性关系，建立重组能与实验可调控噪声幅值的对应关系；在模型中设定辅助的振动模式波导，展示振动模式在早期相干时间内对能量输运的促进作用；引入大幅度的在位能差异或有色噪声失谐值，阐释能量局域对激子转移的影响。

图3 基于光波导调控的实验模型分析能量局域以及振动辅助能量输运

同时，研究团队基于飞秒激光直写制备了多组光波导阵列作为映射FMO复合物的量子模拟实验样本，不同样本均映射了FMO有色噪声频谱特征，但在幅值上有所不同。研究团队实验观测了不同幅度有色噪声对于能量输运效率的影响，能量输运在特定的噪声幅值下达到最优效率。这与激子转移和能量局域的相关理论一致。

图4：实验观测不同有色噪声幅值对于能量输运效率的影响

实验工作是对ENAQT的一次重要的实验观测，加深了对于生物体在光合作用等需要能量输运的物理过程的理解。本工作所展示的波导调控哈密顿量实验方案，还可用于诸如PE545、PE555、PC645等复合物中光合作用能量输运的量子模拟。对有色噪声的灵活调制带来对量子系统信息传输的有效操控，对于量子信息领域也具有广泛的意义。

上海交通大学物理与天文学院副研究员唐豪、博士生尚晓文为本文的共同第一作者，金贤敏教授为通讯作者。合作者包括英国帝国理工学院M.S.Kim教授等。中国科学院光生物学重点实验室副研究员马菲老师在学术研讨会中提到的振动辅助等光合作用新兴研究方向为本工作开展深入研究带来启示，因此在文末予以致谢。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会、量子科学与技术创新计划、上海市科学技术委员会、上海市教育委员会、中国博士后科学基金会等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41534-024-00824-x