[論文レビュー] Holographic Photosynthesis

I. Ya. Aref’eva, И. В. Волович|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、Fenna-Matthews-Olson (FMO) 光合成反応中心における量子もつれのダイナミクスをモデル化するために、ホログラフィック AdS/CFT 対応を適用し、Lindblad マスター方程式に従う量子相互情報量の時間発展が、Vaidya-AdS時空におけるブラックホール形成と双対的であることを示した。ホログラフィックモデルは生理的温度下での相互情報量の数値シミュレーションをよく再現し、光合成系における量子コherー二ンスおよびもつれの実験データとも良好に一致した。

ABSTRACT

There are successful applications of the holographic AdS/CFT correspondence to high energy and condensed matter physics. We apply the holographic approach to photosynthesis that is an important example of nontrivial quantum phenomena relevant for life which is being studied in the emerging field of quantum biology. Light harvesting complexes of photosynthetic organisms are many-body quantum systems, in which quantum coherence has recently been experimentally shown to survive for relatively long time scales even at the physiological temperature despite the decohering effects of their environments. We use the holographic approach to evaluate the time dependence of entanglement entropy and quantum mutual information in the Fenna-Matthews-Olson (FMO) protein-pigment complex in green sulfur bacteria during the transfer of an excitation from a chlorosome antenna to a reaction center. It is demonstrated that the time evolution of the mutual information simulating the Lindblad master equation in some cases can be obtained by means of a dual gravity describing black hole formation in the AdS-Vaidya spacetime. The wake up and scrambling times for various partitions of the FMO complex are discussed.

研究の動機と目的

• 光合成光捕集複合体における量子コherー二ンスおよびもつれを、ホログラフィック双対性を用いてモデル化すること。
• FMO複合体における量子相互情報量の時間発展が、双対重力理論によって記述可能かどうかを調査すること。
• Vaidya-AdS 時空におけるブラックホール形成が、実験で観測された励起移動およびデコherence 動態を再現できるかどうかを検証すること。
• 2〜3セグメントの簡略化されたホログラフィックモデルが、複雑な量子生物学的系をシミュレートする上で実用的かどうかを評価すること。
• ホログラフィーが光合成を超えた量子生物学的現象（例：視覚や臭覚）の研究ツールとして有効である可能性を探索すること。

提案手法

• FMO複合体の量子多体系を、漸近的に AdS 時空における双対重力理論へ写像するために、ホログラフィック AdS/CFT 対応を用いる。
• 境界におけるもつれエントロピーおよび量子相互情報量の時間発展を、Ryu-Takayanagi 公式を用いて記述し、境界のもつれをボリューム内最小表面と関連付ける。
• FMO複合体の急激な励起を表すために、Vaidya-AdS 時空幾何学を導入し、グローバルクエンチダイナミクスをシミュレートする。
• FMO複合体のサイト構造と分割を近似するために、2〜3セグメントの簡略化されたホログラフィックモデルを構築する。
• Gorini-Kossakowski-Sudarshan-Lindblad マスター方程式からの数値シミュレーション結果に、ホログラフィックな相互情報量の時間発展をフィットさせる。
• 300 K での FMO の量子ビーツおよびコherー二ンスに関する実験データと比較し、特にサイト固有の分割に注目して分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホログラフィック AdS/CFT 対応は、FMO 複合体における励起移動中に発現する量子相互情報量の時間発展を記述できるか？
• RQ2 Vaidya-AdS 時空におけるブラックホール形成は、FMO 複合体で観測されたデコherence およびスクラッチングダイナミクスを再現するか？
• RQ3 2〜3セグメントの簡略化されたホログラフィックモデルは、完全な FMO システムのもつれダイナミクスをどの程度正確に捉えられるか？
• RQ4 ホログラフィックモデルにおける目覚め時間およびスクラッチング時間は、シミュレートされた FMO システムと比較してどのようになるか？
• RQ5 ホログラフィーは、視覚や臭覚といった他の量子生物学的現象のモデル化に拡張可能か？

主な発見

• Vaidya-AdS 時空におけるホログラフィック相互情報量は、300 K における FMO 複合体の Lindblad マスター方程式の数値シミュレーションから得られた時間依存的相互情報量と非常に良く一致した。
• 図 29 および 図 30 において、ホログラフィックモデル（濃いシアン線）とシミュレーションデータ（赤破線）の間には良好な一致が観察され、特にサイト 1, 6, 3 を含む分割において顕著であった。
• 相互情報量には4つの明確な挙動が観察された：ゼロのまま一定、正の値で一定、正の値からゼロへ減衰、有限時間にのみ非ゼロのベル型（非ゼロ）。後者は生理学的に関連性があるとされた。
• 特定の構成において、相互情報量に相転移が観察された（図 28 および 図 29 の矢印で示す）。これはもつれダイナミクスにおける臨界的挙動を示唆している。
• ホログラフィックアプローチは、生理的条件下における FMO 複合体における長寿命の量子コherー二ンスおよび多粒子もつれを成功裏に捉えた。
• 本研究は、FMO システムの追加の既知の特徴を記述するため、7〜8セグメントのより複雑なホログラフィックモデルが必要になる可能性を示唆している。