[논문 리뷰] Holographic Photosynthesis

I. Ya. Aref’eva, И. В. Волович|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 30.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 Fenna-Matthews-Olson (FMO) 광합성 복합체에서의 양자 얽힘 동역학을 모델링하기 위해 허무한 AdS/CFT 이중성을 적용한다. 린드블라드 마스터 방정식에 따른 양자 상호정보의 시간 진화가 Vaidya-AdS 시공간 내 블랙홀 형성과 이중성이 있음을 보여주며, 생리적 온도에서 상호정보의 수치 시뮬레이션을 성공적으로 재현한다. 실험 데이터와의 양호한 일치를 통해 광합성계에서의 양자 혼돈과 얽힘의 특성을 잘 반영한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광합성 광수집 복합체에서의 양자 조화와 얽힘을 모델링하기 위해 허무한 이중성을 적용하는 것.
• FMO 복합체에서의 양자 상호정보 시간 진화가 이중 중력 이론에 의해 기술될 수 있는지 조사하는 것.
• Vaidya-AdS 시공간 내 블랙홀 형성이 실험에서 관측된 에너지 전달과 분해조화의 동역학을 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• 복잡한 양자 생물학적 시스템을 시뮬레이션하기 위해 감소된 허무한 모델(2–3 세그먼트)의 사용 가능성 평가.
• 광합성 이외의 양자 생물학 현상(예: 시력, 후각 등)을 연구하는 데에 허무화가 어떤 잠재력을 지닐 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• FMO 복합체의 양자 다체계를 점점 커지는 AdS 시공간 내 이중 중력 이론으로 매핑하기 위해 허무한 AdS/CFT 이중성을 사용한다.
• 경계의 얽힘을 부스러지지 않는 표면과 연결하는 류-타카야나기 공식을 사용하여 얽힘 엔트로피와 양자 상호정보의 시간 진화를 모델링한다.
• 전체 쿠레 동역학을 시뮬레이션하기 위해 Vaidya-AdS 시공간 기하학을 도입하여 FMO 복합체의 급격한 자극을 표현한다.
• FMO 복합체의 위치 구조와 분할을 근사하기 위해 2–3 세그먼트로 구성된 감소된 허무한 모델을 구축한다.
• Gorini-Kossakowski-Sudarshan-Lindblad 마스터 방정식에서 유도된 수치 시뮬레이션의 허무한 시간 진화를 상호정보에 맞춘다.
• 300 K에서 FMO의 양자 빛의 박자와 조화에 대한 실험 데이터와 비교하여, 특정 위치에 대한 분할에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 허무한 AdS/CFT 이중성은 FMO 복합체에서 에너지 전달 중에 양자 상호정보의 시간 진화를 기술할 수 있는가?
• RQ2 Vaidya-AdS 시공간 내 블랙홀 형성은 FMO 복합체에서 관측된 분해조화와 혼란 동역학을 재현하는가?
• RQ3 2–3 세그먼트로 구성된 감소된 허무한 모델이 전체 FMO 시스템의 얽힘 동역학을 어느 정도 잘 포괄할 수 있는가?
• RQ4 허무한 모델에서의 깨어남 시간과 혼란 시간은 시뮬레이션된 FMO 시스템과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 허무화는 시력이나 후각과 같은 다른 양자 생물학적 현상을 모델링하는 데로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• Vaidya-AdS 시공간 내 허무한 상호정보는 300 K에서 FMO 복합체에 대한 린드블라드 마스터 방정식의 수치 시뮬레이션에서 유도된 시간에 따라 변하는 상호정보와 매우 유사하게 나타난다.
• 그림 29와 그림 30에서 허무한 모델(어두운 시안 선)과 시뮬레이션 데이터(빨간 점선) 사이에 양호한 일치가 관찰되며, 특히 위치 1, 6, 3을 포함한 분할에서 두드러진다.
• 상호정보는 네 가지 명백한 행동을 보인다: 영일정, 양수일정, 양수에서 영으로 감쇠, 유한한 시간 동안만 비영인 벨 모양. 후자는 생리학적으로 관련성이 있다.
• 특정 구성에서 상호정보의 계기 전이가 관찰되며, 그림 28과 29의 화살표로 표시되어 있어, 얽힘 동역학에서 임계 행동이 있음을 시사한다.
• 허무한 접근법은 생리적 조건 하에서 FMO 복합체의 장수명 양자 조화와 다중입자 얽힘을 성공적으로 포착한다.
• 이 연구는 FMO 시스템의 추가적인 알려진 특징을 기술하기 위해 7–8 세그먼트로 구성된 더 복잡한 허무한 모델이 필요할 수 있음을 시사한다.