利用 Fisher 信息与量子反应控制设计的量子极限生化磁力计

自由基对及其反应引发了对生物系统中量子效应的研究。这是因为它们展现出许多最好在量子信息科学框架内理解的现象，同时对于理解鸟类磁罗盘和光合反应中心的自旋传输动力学也至关重要。在此，我们从量子计量学的角度探讨自由基对反应。由于自由基对的相干自旋运动受外部磁场影响，这些自旋依赖的反应本质上实现了一个生化磁力计。利用量子 Fisher 信息，我们找到了自由基对磁力计磁灵敏度的基本量子极限。随后，我们探讨了自由基对反应中通常考虑的测量方案，即反应产率的测量，在多大程度上接近该基本极限。在此过程中，我们找到了能带来最佳磁灵敏度的最优超精细相互作用 Hamilton 量，该灵敏度由反应产率得出。但这仍比绝对量子极限小一个数量级。最后，我们证明，通过一种类似于 Ramsey 干涉测量的现实量子反应控制（此处表现为涉及自旋交换相互作用和近期提出的分子开关的量子线路），我们可以在 2 倍因子范围内接近基本量子极限。这项工作开启了将高度发展的量子计量学方法应用于生物系统的先河。