[论文解读] Holographic Photosynthesis

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

Cosmology and Gravitation Theories被引用 12

一句话总结

本文应用全息AdS/CFT对应关系，对芬纳-马修斯-奥尔森（Fenna-Matthews-Olson，FMO）天线复合物中的量子纠缠动力学进行建模，表明林德布洛德主方程下量子互信息的时间演化可与Vaidya-AdS时空中的黑洞形成实现全息对偶。全息模型成功再现了生理温度下互信息的数值模拟结果，且与光合系统中量子相干性和纠缠的实验数据吻合良好。

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.

研究动机与目标

• 将全息对偶性应用于模拟光合天线复合物中的量子相干性和纠缠行为。
• 探究FMO复合物中量子互信息的时间演化是否可由对应的引力系统描述。
• 检验Vaidya-AdS时空中的黑洞形成是否能再现实验中观测到的激发能量传递与退相干动力学。
• 评估使用简化全息模型（2–3个区段）模拟复杂量子生物系统之可行性的程度。
• 探索全息理论在光合作用之外的其他量子生物学现象（如视觉或嗅觉）研究中的潜力。

提出的方法

• 利用全息AdS/CFT对应关系，将FMO复合物的量子多体系统映射至渐近AdS时空中的对偶引力理论。
• 通过Ryu-Takayanagi公式模拟纠缠熵与量子互信息的时间演化，建立边界纠缠与体相最小曲面之间的关联。
• 引入Vaidya-AdS时空几何结构，以模拟全局淬火动力学，代表FMO复合物的突然激发。
• 构建包含2–3个区段的简化全息模型，以近似FMO复合物的位点结构与分块方式。
• 将全息模型中互信息的时间演化与Gorini-Kossakowski-Sudarshan-Lindblad主方程的数值模拟结果进行拟合。
• 将全息模型结果与300 K下FMO复合物中量子振荡与相干性的实验数据进行对比，重点关注特定位点的分块配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 全息AdS/CFT对应关系是否能够描述FMO复合物在激发传递过程中量子互信息的时间演化？
• RQ2 Vaidya-AdS时空中的黑洞形成是否能再现FMO复合物中观测到的退相干与信息混淆动力学？
• RQ3 2–3个区段的简化全息模型在多大程度上能够捕捉完整FMO系统中的纠缠动力学？
• RQ4 全息模型中的唤醒时间与混淆时间与模拟FMO系统中的对应时间相比如何？
• RQ5 全息理论是否可拓展用于建模其他量子生物学现象，如视觉或嗅觉？

主要发现

• Vaidya-AdS时空中的全息互信息与300 K下FMO复合物的Lindblad主方程数值模拟所得的时间依赖互信息高度吻合。
• 在图29与图30中，全息模型（深青色曲线）与模拟数据（红色虚线）之间存在良好拟合，尤其在涉及位点1、6和3的分区中表现显著。
• 模型中互信息表现出四种不同行为：恒为零、恒为正、由正衰减至零，以及钟形曲线（仅在有限时间内非零），其中后者具有生理相关性。
• 在特定构型中观察到互信息的相变行为，如图28与图29中的箭头所示，表明纠缠动力学中存在临界行为。
• 全息方法成功捕捉了FMO复合物在生理条件下长期存在的量子相干性与多体纠缠。
• 本研究表明，为描述FMO系统中已知的更多特征，可能需要构建包含7–8个区段的更复杂全息模型。