受生命体中量子相干效应启发的量子相干器件设计

Quantum mechanics is the theory for describing the phenomena in microscopic world. Since living organisms consist of atoms and molecules, it is reasonable to observe quantum coherent effects in macroscopic living organisms. In the past decade, more and more experimental evidences were in favor of the existence of quantum coherent effects in living organisms. Moreover, quantum coherence is fully utilized to support life processes, e.g. exciton energy transfer in photosynthesis and avian navigation. In the past billions of years, survival of the fittest resulted in the evolution of organisms best adapted to the environment. Therefore, the quantum coherent devices inspired by quantum coherence effects in living organisms can certainly serve human beings. By means of quantum coherence, we aim to optimize the spatial arrangement of molecules to improve energy transfer efficiency and thus design light harvesting devices with a high quantum yield. Based on the radical-pair mechanism, we utilize quantum control such as preparation of initial states and application of laser pulses to enhance the sensitivity of detecting weak magnetic fields in order to design quantum navigator with high precision. We hope that we will obtain some interesting discoveries about energy transfer and detection of weak magnetic fields and advance the research about quantum coherent devices.

量子力学是描述微观世界的客观规律，既然生物体是由原子、分子等构成，那么在宏观生命体中应该存在量子相干效应。近十年以来，越来越多的实验证据表明，生命体中的确存在量子相干效应，且被用来支持生物过程，譬如光合作用中能量传输和鸟类的迁徙。自然界中的生物经过数亿年的优胜劣汰演化，终于在残酷的环境中生存下来，由此启发的量子相干器件设计必然能更好地服务于人类社会。本项目主要研究利用量子相干效应优化分子的空间分布，从而提高能量传输效率，由此设计高效率的能量传输器件；并以自由基对假说为基础，通过初态制备和外加激光脉冲等量子调控手段增强微弱磁场探测的灵敏度，设计高测量精度的量子导航仪。力争在能量传输和微弱磁场探测方面做出一些有创新性的研究成果，推进量子相干器件的研究发展。

量子力学是决定微观世界动力学的基本原理。近20年以来，一系列的实验与理论研究表明，在光合作用与鸟类导航中存在量子相干效应，且被用来支持并优化生理过程。.受此启发，我们提出用量子相干等特性设计量子相干器件，并取得了一系列有创新性的研究成果：（1）我们提出了新颖的Mobius结构，应用于高效率的能量传输、制备具有负折射现象的超材料。在集体激发和暗态机制的基础上，Mobius结构利用二聚化进一步优化能量传输过程。Mobius结构由于存在对称性自发破缺，可以同时进行电/磁响应，实现负折射现象，由于是基于分子的量子跃迁，相对于经典超材料制备更简单，尺寸更轻薄。由于尼古丁代谢物可替宁具有分子破缺环共振腔结构，我们提出了一种新型的指纹识别方案，当观察到负折射现象时，指纹中就含有可替宁成分，从而实现指纹的非破坏性物理分析。（2）为了验证我们关于最优化能量传输结构的发现，我们提出了一种新的模拟非马尔可夫量子开系统动力学过程的量子算法，它可以有效模拟任意结构和环境作用下的开系统量子动力学过程，指数加快模拟速度，且是精确求解。（3）我们研究了金刚石氮空位色心的横向弛豫行为，发现它对微弱的地磁场非常敏感，由此我们提出了用金刚石氮空位色心的横向弛豫时间探测微弱磁场、并进行导航的新方法，提高了探测的灵敏度。金刚石氮空位色心周围的核自旋由于具有长退相干时间和便于操控等特性而被广泛用于量子信息处理，我们提出了用暗态机制极化核自旋的方案，它具有在各种核自旋条件下都适用，极化率高，一次极化等优势。.在本项目研究过程中，发表标注本项目资助的SCI论文18篇，其中npj Quantum Inf.、Phys. Rev. A/E/Applied、Optics Express、New J. Phys.、Ann. Phys.等著名期刊上发表标注论文10篇，远超过了发表学术论文6-8篇的预计目标；在国际国内重要学术会议上作学术报告9次，达到了5-10次的预计目标；培养博士毕业生1名、硕士毕业生3名，在读硕士生4名。