當光合作用及其他自然過程進行時，能量在分子之間迅速而有效地移動是至關重要的。當陽光照射到葉子上，能量會在蛋白質結構之間快速傳遞，然後被儲存以供後續使用。數十年來，科學家們一直想知道量子力學是否在這種驚人的效率中扮演了角色。如今，來自萊斯大學的研究人員發現了量子糾纏可以加速這一過程的證據。他們的模擬顯示，當能量從一個糾纏的去局域化狀態開始時，分子之間的能量轉移速度會更快，而不是從單一位置開始。這一發現指向了人工光捕獲系統的新設計原則，並可能促進更高效的太陽能技術的發展。
為了進行這項研究，團隊構建了一個簡化的分子模型，該模型包含兩個區域：一個是能量被吸收的供體，另一個是能量最終必須到達的接受者。在這兩個端點之間，能量可以逐個位置進行跳躍。雖然較短的跳躍更為常見，但較長的跳躍也會發生。研究人員還考慮了環境效應，如振動，這些效應可能會干擾或促進能量的流動。研究的核心問題簡單明了：如果能量從一個位置開始，還是如果它在多個供體位置上以量子疊加的形式展開，哪種情況下能量移動會更快？
萊斯大學的物理和天文學助理教授Guido Pagano表示：「在多個位置上去局域化初始激發能夠以單一位置無法達到的方式加速轉移。」Pagano指出，這一優勢即使在存在外部噪聲的情況下也仍然存在。他說：「從去局域化的量子狀態開始，為系統提供了更多的通道。我們的模擬表明，這種額外的相干性允許能量更快地轉移到接受者，即使在環境噪聲的情況下也是如此。」
該研究顯示，糾纏的起始狀態在速度上具有一致的優勢。無論是在環境耦合的強度、相互作用的範圍，還是結構無序的程度，轉移的速度始終保持較快。Pagano表示：「這表明自然可能利用糾纏和相干性來優化激發轉移的速度，從而增強這一過程的穩健性。」這項研究突顯了更廣泛的可能性：如果自然系統利用量子效應來最大化效率，那麼工程師也可以在人工系統中模仿這些技術。未來的太陽能電池可能會利用相干性來更有效地移動能量，減少損耗並提升性能。
雖然該模型故意簡化，但研究人員認為它為更複雜的分子提供了有用的見解。他們建議可以在可控的量子平台上進行實驗測試，例如捕獲離子系統，這些系統可以精確地模擬分子能量轉移的物理過程。該研究的第一作者、萊斯大學校友Diego Fallas Padilla表示：「我們的目標是將量子信息的抽象世界與生物學中觀察到的具體機制聯繫起來。這項研究是展示量子相干性不僅僅是理論好奇，而是自然設計的一個實際組成部分的一步。」
通過將量子信息科學的原則與生活系統中的能量流動聯繫起來，該研究為物理學、化學和生物學之間的合作打開了一條道路。這也強調了糾纏通常與未來計算相關的觀點，可能已經在生命的核心過程中發揮作用。這項研究發表在《PRX Quantum》期刊上。
