[论文解读] 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 6

一句话总结

本文表明，基于基的系统-环境相干性——具体而言，非最大混合的初始态——对于鸟类启发的量子罗盘中最佳磁场方向探测是必要且在某些情况下充分的。通过一个具有碰撞环境的三自由基模型，作者表明传感器性能主要取决于初始系统相干性，而非系统-环境关联，凸显了环境自由度在实现量子-经典界面处量子传感中的作用。

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.

研究动机与目标

• 确定非经典量子特性（如相干性）是否对于生物分子量子磁传感器在生理条件下稳健运行是必要的。
• 研究系统-环境量子相干性（与基无关）在增强基于自由基对的传感器模型磁敏感性中的作用。
• 评估初始环境态（例如，最大混合态与纯态）是否影响传感器性能以及非经典关联的出现。
• 澄清非客观性（缺乏环境监测）与量子相干性作为传感器功能决定因素之间的区别。
• 确立无论基如何，量子相干性是否作为生物分子系统在量子-经典边界运行时的量子资源。

提出的方法

• 建立一个包含两个主要自由基和一个清除自由基的三自由基量子磁传感器模型，其与代表生物退相干过程的自旋浴环境耦合。
• 采用主方程方法模拟在不同初始条件下开放量子系统的动力学，包括非最大混合和纯环境态。
• 通过单重态复合产额量化传感器性能，其取决于磁场方向和超精细相互作用。
• 利用量子失谐和经典互信息测量系统-环境关联，以评估非经典性与客观性。
• 比较不同初始环境态（例如，ρ_E = I/2 与 |0⟩⟨0|）下的传感器性能，以隔离初始相干性的作用。
• 分析复合产额和信息产额的各向异性，以识别与基无关的最优传感区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仿生量子传感器中，与基无关的系统-环境相干性是否对于最优磁场方向探测是必要的？
• RQ2 环境的初始态（最大混合态与纯态）如何影响系统-环境关联的生成以及传感器性能？
• RQ3 非客观性——即缺乏环境监测——在实现非平凡量子传感中需要到何种程度？
• RQ4 在此模型中，初始系统相干性是否主导传感器性能，而非系统-环境关联？
• RQ5 即使关联较弱，初始态中的量子相干性是否仍可作为生物分子传感的量子资源？

主要发现

• 与基无关的系统-环境相干性是鸟类启发的量子传感器模型中实现最优磁场方向探测的必要条件。
• 传感器性能与初始系统相干性密切相关，尤其是在环境初始为最大混合态（ρ_E = I/2）时。
• 当环境初始为纯态（|0⟩⟨0|）时，量子失谐随时间增加，但传感器性能与最大混合态情况相似，表明初始系统相干性起主导作用。
• 非客观性——即缺乏环境监测——对于非平凡传感是必要的，因为完全客观态（环境完全跟踪系统）会导致复合产额变化最小，性能最差。
• 传感器运行在存在量子相干性但系统可瞬时为经典（量子失谐较低）而仍保持非客观性的区域，表明量子性在此扮演微妙角色。
• 结果表明，无论基如何，初始相干性的微小程度都是生物分子系统在量子-经典界面处的关键量子资源。