光合作用能发展成量子计算技术吗？
波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员从植物如何将光转化为可用能量的量子力学中获得灵感
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想想菠菜叶。
正如我们在中学科学课上学到的那样，在这种常见的绿色植物和大多数其他植物的内部，存在着复杂的生物机械回路，它们执行着将阳光转化为可用能量的任务。或光合作用。这些过程使植物得以存活。波士顿大学的澳门威尼斯人注册网站研究人员有一个愿景，即如何将它们利用到可编程单元中，使科学家能够构建第一台实用的量子计算机。
量子计算机将能够比我们今天使用的经典计算机更快地执行计算。你桌上的笔记本电脑是建立在可以代表0或1的单位上的，但永远不能同时代表这两种状态或这两种状态的组合。经典计算机一次只能运行一个分析，而量子计算机可以同时运行10亿个或更多版本的相同方程，从而提高了计算机更好地模拟极端复杂系统的能力——比如天气模式或癌症如何在组织中传播——并加快了对庞大数据集的分析速度。
利用菠菜叶中的光合作用分子为量子计算服务提供动力的想法听起来可能像科幻小说。它不是。艺术与科学学院化学教授、工程学院材料科学与工程教授大卫·科克（David Coker）说，这是“可能性的边缘”。科克和他在波士顿大学和普林斯顿大学的合作者正在利用计算机模拟和实验来证明光合作用电路可以开启新的技术能力。他们的工作显示出有希望的初步结果。
“在过去的十年里，人们对光合作用的量子方面越来越感兴趣，”科克说。量子描述了原子和亚原子粒子相互作用、交换能量并影响彼此能量状态的尺度。
类似地，在光合作用过程中，分子被光吸收激活——或者用物理学家的话说，被“激发”。当这种情况发生时，这些激发态分子基本上进入了所谓的叠加态，在这种状态下，它们同时处于许多不同的状态。叠加的概念是量子计算的一个基本概念，其中计算机将能够计算许多潜在的结果和因素，所有这些都在同一时间。这将使我们当前的计算能力呈指数级增长。
“当你在光合作用过程中激发一个分子时，问题就出现了：在这些疯狂的状态下，多种事情可以同时发生，这是否有生物学意义？”科克说。
Coker和他在波士顿大学的合作者，Ksenia Bravaya和Sahar Sharifzadeh，与普林斯顿大学的化学教授Gregory Scholes合作，澳门威尼斯人注册网站研究是否有可能在量子水平上产生和控制一系列状态，在植物中进行光合作用的分子中（甚至在你猜对了——菠菜中发现的电路）。为了控制这些分子的激发水平，他们使用了复杂的编程激光脉冲，操纵光的光谱和发射激光脉冲的持续时间，这样他们就可以严格控制击中分子的光束的形状和性质。最近，他们一直在蓝藻细菌的光合作用部分进行实验，蓝藻细菌是一种从阳光中产生能量的微生物。
“激光和太阳是非常不同的光源，”科克说。这是因为稳定的阳光会触发光稳定地转化为植物或蓝藻可利用的能量。相比之下，该团队精细调谐激光器的快速脉冲可以改变这一过程——而不是分子以可预测的线性方式将光转化为能量，脉冲光可以使分子同时进入多种激发状态。
人们对光合作用的量子方面越来越感兴趣。
科克说，在斯科尔斯位于普林斯顿的实验室里，该团队拥有“超快激光器，它产生脉冲的速度之快将让你大吃一惊”。“它们的脉冲持续时间可以达到飞秒，比纳秒快一百万倍。”
有了这些激光，澳门威尼斯人注册网站研究小组希望精确地控制量子态的产生，以及这些光合回路在某些量子态中保持多长时间。因为如果这些电路可以被严格控制，澳门威尼斯人注册网站研究小组设想它们最终可以成为能够在量子水平上处理信息的单元（物理学家称之为量子比特）——本质上是执行量子计算。
到目前为止，建造量子计算机的最大障碍之一是很难抓住任何一个转瞬即逝的量子态。科克说，当分子被激发时，就像它们吸收光时一样，它们开始与附近的分子和材料相互作用。这些交换导致能量消散，而不是保持集中，这使得在量子水平上将材料冻结在任何特定状态都具有挑战性。
利用斯科尔斯的超快激光脉冲实验，以及科克和他在波士顿大学的合作者开发的计算机模型，该团队正在澳门威尼斯人注册网站研究能量如何在材料中消散，以及分子的量子态如何影响能量是保留还是消散。如果激光可以用来迫使光合回路在更长时间内保持某种状态，那将是一个真正的突破。
你下次吃菠菜的时候就可以咀嚼一下了。
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