Международный коллектив физиков применил методы квантовомеханического моделирования для исследования механизмов фотосинтеза. Создав при температуре почти абсолютного нуля систему на основе всего одного сверхпроводящего кубита, исследователи смогли вывести квантовомеханическое описание природных процессов на новый уровень сложности и приближенности к реальным механизмам. Статья, описывающая исследование, была опубликована в журнале Nature Communications.

Как пояснил один из авторов исследования, руководитель лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» Алексей Устинов, речь идет о системах с сильным взаимодействием света и вещества, когда сила этого взаимодействия сравнима с величиной перехода между энергетическими уровнями. Дело в том, что, когда это взаимодействие слабое, существуют приближенные методы, которыми такие задачи можно посчитать на компьютере: вычислить энергии квантовых состояний и увидеть изменения в системе. В природе существуют процессы, когда взаимодействие между светом и веществом никак нельзя считать слабым. Один из примеров такой ситуации — фотосинтез. Во время него поглощается квант света, фотон, и его энергия при взаимодействии с веществом используется почти полностью, КПД этого процесса больше 50%. Это очень высокоэффективный процесс преобразования света в энергию, хранящуюся в материи. И в новой области, которая уже получила название «квантовая биология», существует положение, что подобные процессы связаны с квантовомеханическим преобразованием энергии за счет очень сильного взаимодействия между светом и веществом.

«Свет в момент поглощения взаимодействует с гармоническими осцилляторами (физическая модель колебаний межатомных связей в молекулах), — рассказывает Устинов. — В данном случае нам важно понимать, что взаимодействие идет с осцилляторами молекул, отвечающих за фотосинтез. Также стоит учесть, что фотон относится к бозонам. Одно из свойств этих частиц заключается в том, что в одном осцилляторе может находиться неограниченное количество таких частиц в одинаковом квантовом состоянии. Следствием этого становится то, что в системе можно запасти большое количество энергии на одной частоте (наполнить один осциллятор большим количеством квантов света)».

Энергетические потери нелья корректно ввести в квантовую механику. Чтобы учесть потери энергии при взаимодействии света и вещества, физики придумали следующее: они говорят, что рассматриваемая квантовая система взаимодействует с большим количеством осцилляторов, которые забирают энергию у квантовой системы. Когда взаимодействие слабое, рассчитать его относительно легко, и физики разработали несколько моделей. Для случаев, когда сила взаимодействия между светом и веществом большая, методов расчета нет. Тогда на помощь приходит моделирование, называемое квантовой симуляцией. С помощью сверхпроводящих схем создается модель, на которой можно посчитать, как возникает сильное взаимодействие.

В данном случае была сделана схема, предназначенная для моделирования сильного взаимодействия, измерены ее характеристики. Оказывается, наиболее характерное, что происходит в данной системе, — это биения. То есть в системе не просто происходят некие колебания, а их амплитуда начинает меняться со своей собственной частотой. Такие биения показывают, что в системе существует сильное взаимодействие.

Такую систему, в которой есть только один осциллятор и всего одна двухуровневая система (частица может совершать только один энергетический переход между уровнями), можно рассчитать на компьютере, подчеркнул профессор Устинов. И в данной работе такой расчет приведен. Как только система становится хоть немного более сложной, такой расчет уже невозможен. Зато квантовые аналоговые системы, подобные разработанной в данной работе методике, позволяют решать широкий класс подобных сложнейших задач.