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物理学家用量子模拟来破译光合作用的机制
文/秩名      2017/12/15

  

物理学家用量子模拟来破译光合作用的机制

 

  来自国家技术研究大学"NUST MISIS",俄罗斯量子中心,卡尔斯鲁厄大学和德国美因茨大学的国际物理学家团队已经掌握模拟可以帮助破译光合作用机制的过程的模型。有关这个研究的文章已经刊登在了杂志Nature Communications上。

  光合作用通常被理解为各种反应中光能的吸收、转化和使用的综合过程,包括将二氧化碳转化为释放氧的有机物质的过程。 随着地球上植物数量的减少,在人工条件下制造光合作用已经成为当务之急。 但想要复制某个过程,就首先需要了解它。

  然而,这项任务是一个棘手的问题,为了寻找有关这个任务的问题的答案,全世界的计算机都没有足够的功率。 因此,研究人员寻求利用量子计算机进行建模。

  "光当被物质吸收时与分子中原子间键合的振动相互作用,包括那些负责光合作用的。这种振动的特性允许的分子"储备"大量的光量子,即能量。另外已知的是,在光合作用过程中光量子被吸收(在电磁波能量测量中的最低值) — 即光子,其能量通过与物质反应几乎完全被吸收。该过程的有效率大于50%。 这是一个非常高效的将光能转化为物质中储存能量的过程,国家科技研究大学"NUST MISIS" "超导超材料"实验室主持者,俄罗斯量子中心负责人阿列克塞·乌丝金诺夫说。

  在这种情况下,人造原子 — 量子位元被认为是量子计算机的"存储单元"。它们表现得像自然粒子,在量子层面上具有相同的结构。但是它们的结构(因此也包括物理性质)可以瞬间改变。包括能级之间的距离,即人造原子从一级到另一级转变所必需的能量。进行量子测量的必要条件是低温 — 它要保持在20毫开尔文,几乎为零!这种极端的"冰冻"对于热振荡不会干扰量子力学过程的观察是必要的。

  术语"超导"是指,当量子位元材料达到一定温度值以下时具有严格的零电阻。 这也是中和电子过度运动的必要条件。 为读取量子位元的状态(计算方法基于量子计算机)使用了光频的变化。

  在普通的计算机上可以计算只有一个光子而只有一个两级系统的系统,即一个人造原子。 而实际上光子有很多个,它们可以和多个人造系统相互作用,只有量子计算机可以在一个复杂的类似于光合作用的自然过程的系统中进行计算。

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