实用性的量子计算和高效太阳能电池的突破，可能存在于物理实验室外纷繁的绿色世界中
乍看起来，量子效应和生物有机体似乎各占一方，有着天壤之别。量子效应通常在纳米条件下才能够观察到，其产生的环境为超高真空、极度低温，以及严格控制的实验室环境。而生物有机体处在宏观世界中，温暖、纷杂、无拘无束。量子现象，比如“量子相干”，表现在其系统各部分的波型都保持同步，不会在细胞的变幻莫测中停留百万分之一秒。
差不多大家都这么认为。但近几年的发现表明，自然界中有那么些小诡计并不为物理学家们所知：相干性的量子过程在自然世界里很可能是普遍存在的。目前已知的和人们怀疑可能有的此类例子很多，从鸟类利用地球磁场进行导航的能力，到光合作用的内部机能。光合作用是植物和细菌将阳光、二氧化碳和水转换成有机物质的过程，被一些人认为是地球上最重要的生化反应。
来自麻省理工学院的赛斯·劳埃德（Seth Lloyd）教授认为，生物学自有其门道，能利用有用的东西。他说：“如果这意味着是量子的把戏，那么这就是量子耍的把戏。”一些研究人员甚至开始谈及一门新兴的学科：量子生物学，认为量子效应是自然界运行过程的一种至关重要的因素。那些对实用技术感兴趣的实验物理学家们对此密切关注。劳埃德说：“我们希望能从这些生物系统的量子有效性中有所收获。”深入地了解量子效应在生命有机体中的存在方式，可以帮助研究者们攻克量子计算的难关。他表示：“或者说，也许我们能够制造出更优质的能量储存装置，以及有机太阳能电池。”
能量探路者
研究人员长期以来一直质疑，光合作用过程是否存在某种不同寻常的物质。来自太阳光的粒子被称作光子，随机到达叶绿素分子和分布在每一叶片的细胞里的其他吸收光的“天线”色素上，以及所有光合作用的杆菌属里。但是，如果光子的能量被保存下来，它就不再具有随意性。它会被规则地导向光合作用的反应中心，后者则最高效利用它将二氧化碳转化成糖类。
自上个世纪三十年代以来，科学家们已经明白，这个过程应该用量子力学来描述，其核心是粒子（例如电子）的表现常常类似于波的表现。撞击天线分子的光子会增加赋能电子（即激子）的波动，好比一块岩石投入水坑后飞溅起水波一样。这些激子从一个分子传到另一个分子，一直传到反应中心。但是，它们真是如一些研究者们之前所假设的那样，一路上都是任意的、无向性的跳跃吗？或者，它们的运行可能会更有序？一些现代的研究者们认为，激子可能是相干的，它们的波不止影响一个分子，同时还能彼此互相加强。
如果真是这样，那么就有一个惊人的推论。相干的量子波能同时在两种或超过两种状态下存在，因此相干性激子就能够在天线分子群中从两条或者多条路径通过。实际上，它们会同时探测到一些可能的路径，并自动选择能够到达反应中心的最有效途径。
四年前，加利福尼亚大学伯克利分校化学家雷厄姆·弗莱明（Graham Fleming）教授带领的两个小组，通过实验证明了这种假设。其中一个小组使用一串非常短的激光脉冲来探测绿色的硫磺菌Chlorobium tepidium的光合作用机制。研究人员将样本用液氮冷冻到77K（开氏度），但是他们从激光探测中获得的数据显示出非常明显的相干性激子状态。另一个小组对紫杆菌属类球红细菌进行了类似的研究发现，在温度达到180K的情况下存在几乎差不多的电子相干性。
2010年，第一组的研究人员发表文章，公开了他们在环境温度下研究的细菌复合物中存在量子相干性的证据，表明量子相干性不只是低温实验室条件下的人工产物，而且可能的确对自然界中的光合作用非常重要。几乎在同时，加拿大多伦多大学的化学家格雷斯·斯科尔斯（Gregory Scholes）领导的研究小组也报告在环境温度下发现了量子相干性效应，不过他们研究的不是细菌，而是光合作用隐芽植物藻，这种藻类是与动植物密切相关、演变独特的有机生物体，但它们使用完全不同的吸光化学基团。
但是，量子相干性效应如何能够长时间保持从而对光合作用产生影响？大多数的物理学家甚至断言，在环境温度下，细胞中临近分子的干扰几乎瞬间就破坏了该相干性。
劳埃德和他的一些同事们进行的计算机模拟显示：环境中的不规则噪音可能的确加强，而不是削减了光合作用中能量转换的有效性。他们发现，一个激子有时候会陷在光合作用反应链中某些特殊的位置，但是模拟显示，环境的噪音可以将其稍微晃松，从而避免相干性受到破坏。事实上，按劳埃德的话说：“环境释放了激子，允许它能够自由行动。”
光合作用并非自然界中量子效应的唯一例子。比如，这几年研究者们已经了解在某些催化酶的反应中，质子从一个分子向另一个分子移动，量子力学上的隧穿现象，即一个粒子通过能量势垒而非聚集能量来移动位置。有关嗅觉理论的一种争议认为，嗅觉来自分子振动的生化感应，这个过程包括气味分子和鼻腔中的接收器之间的电子隧穿现象。
然而，以上这些例子是否能够证明真的存在一个全新的学科？华盛顿大学圣路易斯分校的生化学家罗伯特·布兰肯希普（Robert Blankenship）专门研究光合作用，他和弗莱明一起合作发表了有关C. tepidium的文章，承认存在的某些质疑。他说：“我的感觉是，和我们已经知道的一些情况一样，还可能会在少许情况中，这些效应非常重要。但是，有一些（如果不是大部分）生物系统将不再利用这种量子效应。”但是斯科尔斯认为，量子生物学定义广泛，因此有理由对此学科表示乐观。他说：“我真的认为生物学中会有一些其他的实例，从量子力学的层面来理解会帮助我们更深入地去分析其发展的过程。”
鸟眼指南针
有一个存在已久的生物谜团可能通过量子效应得到解答，这个谜团就是一些鸟类如何通过感受地球的磁场来导航。
我们知道，鸟类的磁性传感器是由于光线刺激鸟的视网膜而被激活。研究者们目前对此机制的最理想的猜测是，每一个注入的光子所储存的能量产生一对游离基，即反应极强的分子，这对游离基分别带有一个孤电子。每一个孤电子本身具有角动量，或叫自旋，由磁场来再定位。当游离基分离时，一个孤电子主要受到附近原子核的磁力影响，而另一个孤电子离原子核越来越远，只受到地球磁场的影响。不同的磁场改变了两种有着不同化学活动的量子状态下游离基的配对。
牛津大学物理学家西蒙·本杰明（Simon Benjamin）认为，有一种观点认为在一种状态下，鸟类视网膜细胞中某种化学物质是合成的，但在另一种状态中则不存在。“其集中效应反映了地球的磁场定向。”这种看法的可行性已于2008年在一次仿真光化反应中得到了证实，在那次反应中，磁场影响了自由基对的寿命。
这可能仅仅让我们看到了一点点蛛丝马迹，探索量子技术的路还很漫长。
本杰明和他的同事们提出，单个光子吸收产生的两个孤电子存在于量子纠缠状态：这种形式的相干性中，无论游离基分开的多远，一个自旋的导向与另一个自旋相互关联。在环境温度下量子纠缠状态通常比较微妙，但研究者们计算出，在鸟类的方向判断中它可以至少保持几十微秒，比在目前可能有的仿分子系统中保持的时间要长得多。
研究表明，植物的光合作用与鸟类的飞行路线，都可以通过量子效应予以解释
这种量子辅助的磁感应分布广泛。不仅鸟类具有，某些昆虫甚至一些植物都对磁场表现出生理反应。比如，蓝光对开花植物拟南芥成长的抑制，受到了磁场的影响，在某种程度上，磁场也可能利用自由基对的机制。但是，为了确实证明其工作机制，本杰明表示：“我们需要理解有关的基本分子，然后再到实验室去研究它们。”
自然的选择
光合作用中量子的相干性似乎让含有该状态的有机体受益匪浅。但是它们发展量子效应的能力是否在自然选择中逐步演变？还是说，量子相干性是否只是某种分子结构的一种偶然发生的副作用？斯科尔斯本人对此也很难确定。他说：“关于演变的问题，有很多推测，也有很多误解。我们无法辨别光合作用中的这种量子效应是否是有选择的，也无法确认是否可以选择不利用相干性来转移电子的能量。目前根本没有数据来解释这个问题。”
他指出，自然选择会有利于相干性的原因尚不明朗。“几乎所有光合作用的有机体利用一天的大部分时间调节捕光。那么，为什么会有演变压力来调整捕光效率呢？”弗莱明承认：他怀疑量子相干性并非自适应性，而只是“一种为了优化阳光吸收效果的载色体的致密堆积产生的附带结果”。斯科尔斯希望能通过对比从隐芽植物藻类中分离出的天线蛋白来研究这一问题，这种藻类会在不同的时间发生演变。
但是，弗莱明补充道，即使生物系统中的量子相干性是一种偶然的效应，其产生的结果非常显著，可以造成系统对于能量的无序分布不再敏感。而且，它“能够转换像整流器那样的单向能源，产生最快速的能源转换率，不受温度的影响，可能还有其他我还没有想到的事情。”
这些效应也说明它们有实际的用途。斯科尔斯表示，也许最明显的一点是，更好地理解生物系统如何在环境温度下达到量子相干性效应，将会“改变我们对捕光结构设计的认识”。科学家们就有可能开发新技术，比如能够改善能量转换效率的太阳能电池。劳埃德认为这是“一个合情合理的期待”，他特别希望自己对于环境噪音的积极作用的发现能对工程光电子系统有所帮助，这些系统需要使用像量子点（纳米级晶体）或者含有吸收光的化学基团的高支化聚合物这样的物质，这些化学基团能起到仿真天线阵列的作用。
未来应用的另一个领域是量子计算。物理学家们和这一领域的工程师们的长远目标是操控信息的量子位元编码的数据，比如电子或者原子核的自旋加快和自旋减慢状态。量子位可以同时存在于两种状态中，由此它们编码的计算的结果可能同时出现。原则上，量子计算机可以比目前的计算机更快速地找出最佳解决途径，但前提条件是，量子位能够保持它们的相干性，周围环境的噪音，比如临近原子的冲撞，没有破坏波的同步。
但是，生物不知怎么就解决了这个难题：实际上，量子相干性产生了光合体系进行“最佳路径”的量子计算。本杰明的兴趣在于为量子计算和信息技术设计材料系统，他认为环境温度下鸟类的方向导航是一种潜在的导向。“如果我们能够弄清楚鸟的方向导航是如何保护它们自身避免分散的话，我们就会因此受到启发去开发量子技术。”向大自然学习是亘古以来人类的构想，但是至今为止，无人能够想象，在量子世界里，自然界什么都没有教给我们。
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐