光合作用中能量输运以及退相干效应的研究

• 作 者: 戴彦
• 出 处: 华东师范大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 光合作用 准绝热路径积分算法 退相干效应 能量输运

光合作用中的高效率的能量吸收和转换是光合作用研究中最关键的问题。在弱光条件下,光合作用系统中能量吸收和转化效率可以达到95%。理解如此高效的能量吸收和转化效率需要使用量子力学描述。但是,仍然有一系列的问题需要进一步探索。比如,在光合作用中,温度和环境振荡影响能量输运的机制以及不同的光合作用单元之间的相干性强弱是否会对能量输运过程产生影响。本文使用了准绝热路径积分的方法研究了光合作用中的能量输运效率和退相干现象并得到了一些有益的结论。首先,本文采用并实现了量子耗散系统中的QUAPI准绝热路径积分算法。该方法事实上优化了实时间路径积分方法来模拟量子耗散系统并且被认为是能够对量子耗散系统的非马尔科夫效应给出较为精确的数值结果。并且,由于采用的路径积分数学工具,QUAPI算法不受到微扰论的约束。QUAPI也从方法上做了一些简化,忽略了大于某一个阂值的记忆效果,所以具有可以接受的时间复杂度。之后,我们利用QUAPI准绝热路径积分方法研究了光合作用的能量输运过程和退相干效应。我们使用了自旋-玻色模型来分析环境对系统的作用。我们分析了在不同强度环境作用下,能量输运和退相干效所表现出的不同特性。我们发现,光合作用系统表现出内在的振荡特性。然而环境的作用则让这样的振荡衰减。真实的效果是系统和环境作用效果的叠加。我们也分析了在不同强度的统计无序下激发能量分布的演化,能量输运过程的演化和相干性的演化。我们发现,比较大的统计无序会抑制系统退相干曲线的振荡。最后,本文研究了外部脉冲对光合作用的影响。我们可以选择外部脉冲的强度让脉冲的效果等价于特定的量子门。我们主要研究的是当脉冲的效果对应于量子非门的情况,也简单探讨了脉冲的效果对应于量子Hadamard门时的情况。当我们给光合作用系统施加量子非门作用的时候,能量的概率分布会发生反转,并且伴随有极高的能量输运效率。这或许能够人工可控制的纳米器件提供参考。另外,我们发现如果对体系连续施加量子门作用,体系的相干性能够在更大的时间尺度内得以保持,并且还伴随有比较明显的相干性平移的现象。