光合复合物在生理温度下的长寿命量子相干性

光合天线复合物通过将激发能传递到反应中心（该中心将光子能量以化学键形式储存）来捕获和汇聚太阳辐射。这一过程以近乎完美的量子效率发生。近期低温实验揭示，在许多光合色素-蛋白质复合物中存在着相干能量转移——一种波状转移机制（1-4）。以 Fenna-Matthews-Olson (FMO) 天线复合物为模型系统，同时包含非相干和相干转移以及热退相的理论研究预测，环境辅助的量子转移效率在生理温度附近达到峰值；这些研究进一步表明，该过程等价于一种量子随机游走算法（5-8）。该理论要求在室温下存在长寿命的量子相干性，而这在 FMO 中从未被观测到。在此，我们首次证明量子相干性在生理温度下能在 FMO 中持续至少 300 fs，足以执行基本的量子计算操作。该数据证明，在 77 K 下发现的波状能量转移过程与生物功能直接相关。在微观上，我们将这种长相干寿命归因于包裹发色团的蛋白质基质内的关联运动，并发现蛋白质提供的保护程度在 77 K 到 277 K 之间似乎恒定。蛋白质塑造了能量景观，并在热涨落下介导了高效的能量转移。量子相干性在动态无序系统中于这些条件下的持续存在，为设计能在高温下运行的专用量子计算设备提供了一种新的仿生策略。