[論文レビュー] Basis-independent system-environment coherence is necessary to detect magnetic field direction in an avian-inspired quantum magnetic sensor

Thao P. Le, Alexandra Olaya-Castro|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、アヴィアンにインspiredされた量子コンpassesにおける磁界方向検出の最適化に関して、基底に依存しない系・環境の量子もつれ——特に非最大混合初期状態——が必要不可欠であり、特定の状況では十分であることを示している。三ラジカルモデルに衝突的環境を組み合わせた解析により、センサー性能は主に初期系の量子もつれに依存しており、系・環境の相関関係に依存しないことが明らかになった。これは、環境の自由度が量子古典境界における量子センシングを可能にする役割を果たしていることを示している。

ABSTRACT

Advancing our understanding of non-trivial quantum effects in biomolecular complexes operating in physiological conditions requires the precise characterisation of the non-classicalities that may be present in such systems as well as asserting whether such features are required for robust function. Here we consider an avian-inspired quantum magnetic sensor composed of two radicals with a third "scavenger" radical under the influence of a collisional environment that allows to capture a variety of decoherence processes. We show that basis-independent coherence, in which the initial system-environment state is non-maximally mixed, is necessary for optimal performance of the quantum magnetic sensor, and appears to be sufficient in particular situations. We discuss how such non-maximally mixed initial states may be common for a variety of biomolecular scenarios. Our results therefore suggest that a small degree of coherence--regardless of basis--is likely to be a quantum resource for biomolecular systems operating at the interface between the quantum and classical domains.

研究の動機と目的

• 生体条件下で安定して機能するバイオ分子量子磁気センサーに、非古典的量子特徴（例えば、量子もつれ）が不可欠であるかどうかを特定すること。
• ラジカルペアベースのセンサーモデルにおいて、基底に依存しない系・環境の量子もつれが磁気感受性を向上させる役割を調査すること。
• 初期環境状態（例：最大混合状態 vs. 純粋状態）がセンサー性能および非古典的相関の出現に与える影響を評価すること。
• 非客観性（環境のモニタリング欠如）と量子もつれの違いがセンサー機能の決定要因として果たす役割を明確にすること。
• 量子もつれが、基底に依存していなくても、量子古典境界で動作するバイオ分子系において、量子資源として機能するかどうかを確立すること。

提案手法

• 生物学的デコherenceプロセスを表すスピンバン環境と結合した、二つの主要ラジカルと第三のスキャバーラジカルを有する三ラジカル量子磁気センサーをモデル化する。
• 非平衡量子系のダイナミクスをシミュレートするためにマスター方程式を用い、非最大混合状態および純粋状態を含むさまざまな初期条件を検討する。
• 磁界方向およびハイパーフィン構造に依存する単重状態再結合率を用いてセンサー性能を定量的に評価する。
• 量子ディスコードと古典的相互情報量を用いて、系・環境の相関関係を測定し、非古典的性質と客観性を評価する。
• 初期環境状態（例：ρ_E = I/2 vs. |0⟩⟨0|）を変化させた場合のセンサー性能を比較し、初期もつれの役割を分離する。
• 再結合率の異方性および情報量の変動を分析し、基底に依存しない最適なセンシング領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バイオミメティック量子センサーにおいて、磁界方向の最適検出には、基底に依存しない系・環境の量子もつれが不可欠であるか？
• RQ2 環境の初期状態（最大混合状態 vs. 純粋状態）が、系・環境の相関関係の生成およびセンサー性能に与える影響は？
• RQ3 非自明な量子センシングを実現するために、非客観性（環境によるシステムのモニタリング欠如）はどの程度必要か？
• RQ4 このモデルにおいて、センサー性能を支配するのは、系・環境の相関関係ではなく、初期系の量子もつれであるか？
• RQ5 相関関係が最小限であっても、初期状態における量子もつれが、バイオ分子センシングの量子資源として機能できるか？

主な発見

• アヴィアンにインスパイアされた量子センサーモデルにおいて、磁界方向の最適検出には、基底に依存しない系・環境の量子もつれが不可欠である。
• センサー性能は初期系の量子もつれと強く相関しており、特に環境が初期に最大混合状態（ρ_E = I/2）である場合に顕著である。
• 環境が初期に純粋状態（|0⟩⟨0|）である場合、時間経過とともに量子ディスコードが増加するが、センサー性能は最大混合状態の場合と同等であり、初期系の量子もつれが支配的であることが示された。
• 非客観性（環境によるシステムの完全な追跡がない状態）は、非自明なセンシングを実現するために不可欠であり、完全に客観的な状態（環境がシステムを完璧に追跡）では再結合率の変動が最小限に抑えられ、性能が著しく低下する。
• 量子もつれが存在するが、瞬時に古典的となる（量子ディスコードが低い）が、非客観的な状態であるような領域でセンサーが動作しており、量子性の役割が洗練されたものであることが示された。
• 結果から、基底に依存せず、わずかな初期もつれがあれば、バイオ分子系が量子古典境界で動作する際の主要な量子資源であることが示唆された。