[论文解读] A Quantum trajectory picture of single photon absorption and energy transport in photosystem II

Robert L. Cook, Liwen Ko+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用 4

一句话总结

本文利用量子轨迹理论模拟光系统II（PSII）中的单光子吸收与能量传递，表明对透射光子的零检测可近乎确定地证实系统已被激发。研究揭示，单光子输入会引发显著的激发态 population 转移——与相干态激发形成鲜明对比——而声子型耗散则调节荧光速率，从而实现一种新的激发态相干性光子计数观测手段，并预测达到92%的量子效率。

ABSTRACT

In this work we study the first step in photosynthesis for the limiting case of a single photon interacting with photosystem II (PSII). We model our system using quantum trajectory theory, which allows us to consider not only the average evolution, but also the conditional evolution of the system given individual realizations of idealized measurements of photons that have been absorbed and subsequently emitted as fluorescence. The quantum nature of the single photon input requires a fully quantum model of both the input and output light fields. We show that PSII coupled to the field via three collective ``bright states'', whose orientation and distribution correlate strongly with its natural geometry. Measurements of the transmitted beam strongly affects the system state, since a (null) detection of the outgoing photon confirms that the system must be in the electronic (excited) ground state. Using numerical and analytical calculations we show that observing the null result transforms a state with a low excited state population $O( 10^{-5} )$ to a state with nearly all population contained in the excited states. This is solely a property of the single photon input, as we confirm by comparing this behavior with that for excitation by a coherent state possessing an average of one photon, using a smaller five site ``pentamer'' system. We also examine the effect of a dissipative phononic environment on the conditional excited state dynamics. We show that the environment has a strong effect on the observed rates of fluorescence, which could act as a new photon-counting witness of excitonic coherence. The long time evolution of the phononic model predicts an experimentally consistent quantum efficiency of 92%.

研究动机与目标

• 理解光系统II（PSII）中单光子吸收的微观动力学，这是光合作用中具有极高量子效率的关键步骤。
• 解决理想化单光子输入与真实弱相干态激发在模拟激发态人口转移时的差异。
• 研究测量反作用——特别是透射光子的零检测——对PSII条件态的影响。
• 考察耗散性声子环境在塑造荧光动力学及实现激发态相干性新观测手段中的作用。
• 利用光与物质相互作用的完全量子模型，预测PSII在真实环境条件下长期的量子效率。

提出的方法

• 应用量子轨迹理论，基于光子吸收与发射的单个测量结果，模拟PSII的条件演化。
• 系统通过三个集体的'亮态'建模，其取向与分布与PSII的自然几何结构一致，从而实现高效的光与物质耦合。
• 对输入与输出光场采用完全量子场描述，包含偏振与空间模式，通过限制Lindblad算符来考虑损耗通道。
• 模型引入一个三模光子环境，包含正交偏振态及入射光束与探测光束之间可变的夹角，使用广义耦合矩阵M描述方向性与偏振相关的耦合。
• 推导出耦合矩阵M的本征值与本征向量的解析与数值解，该矩阵决定了与观测模式及未观测模式耦合的强度。
• 通过Lindblad主方程引入声子型耗散，以模拟对荧光速率与长时间动力学的非马尔可夫效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 当通过透射光束的零检测揭示单光子被吸收时，PSII的条件态如何演化？
• RQ2 在相同平均光子数下，单光子输入与相干态激发在激发态人口动力学上存在何种差异？
• RQ3 入射光与探测光的取向与偏振如何影响PSII中的耦合效率与人口转移？
• RQ4 由耗散性声子环境引起的荧光速率调制能否作为激发态相干性的观测指标？
• RQ5 在真实环境耦合条件下，基于完全量子模型，PSII的长期量子效率是多少？

主要发现

• 对透射光子的零检测（表示吸收）可将初始激发态人口为O(10⁻⁵)的系统，转变为几乎全部人口位于激发态的系统，表明存在强烈的测量反作用。
• 这种显著的人口转移仅在单光子输入下发生，而在相同平均光子数的相干态激发下不会出现，凸显了测量诱导态塌缩的根本差异。
• PSII与光场的耦合由三个集体的'亮态'介导，其取向与分布与PSII的自然结构几何相关。
• 声子环境显著改变荧光速率，这些速率调制可作为激发态相干性的一种新光子计数观测指标。
• 在声子耗散下的长期演化预测出92%的量子效率，与弱光条件下的实验观测一致。
• 耦合矩阵M取决于入射光束与探测光束之间的夹角及其偏振态，决定了与观测模式及未观测模式的耦合强度，其本征值为m_q = 1 − η(1 + q cos θ)，其中q = −1, 0, 1。