量子可视化技术让我们深入了解光合作用

众所周知，服从量子力学的系统很难可视化，但伊利诺伊大学香槟分校的研究人员开发了一种插图技术，可以在称为相干图的易于阅读的图表中显示量子特征。研究人员使用这些图来研究光合作用背后的量子机制，植物和一些细菌利用阳光将二氧化碳和水转化为食物的过程。

“很难相信相干图是如此简单，” 伊利诺伊大学化学教授兼项目负责人Nancy Makri说。“当将非直觉的量子现象作为光合作用等复杂过程的一部分来处理时，解释理论计算可能是一个相当大的挑战。但是相干图会在快照中告诉你你需要知道的一切。”

在 发表在《物理化学快报》上的一项研究中，Makri 的研究小组应用相干图 以一种新的方式分析 早期对光合细菌的计算机模拟。研究人员研究了“收获”阳光、吸收阳光并将其能量转移到处理二氧化碳和水的化学反应部位的分子复合物。相干图不仅清楚地显示了能量是如何转移到反应部位的，而且还对这种转移给出了清晰的量子解释。

Makri 解释说，相干图是缩减密度矩阵的图示，密度矩阵是一个数学对象，包含有关系统量子行为的所有信息。“即使对于中等规模的系统，降低的密度矩阵也会变得相当大，而且它的所有组件都是相互关联的，”她说。“要分析的信息实在是太多了。不过，有了相干图，一眼就能从图片中弹出大量信息。”

根据 Makri 的说法，这些信息使研究人员能够“非常透明地”识别细菌光收集复合物中的能量转移途径。该复合物包含分子的外环和内环。外环吸收阳光，内环包含化学反应部位。Makri 的小组表明，这两个环是通过分子中原子的运动连接起来的，相干图清楚地表明这些运动将能量从外环集中到内环。

“展望未来，我相信相干图将成为基于量子力学的理论分析的宝贵工具，”Makri 说。“就在这项研究中，他们对光合作用机制给出了重要见解，这是生物学的一大奥秘。”

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