哪些是激子匯聚
激子是由電子和空穴（電子空缺）配對而產生的準粒子，它們可以在固體材料中傳遞能量。激子是玻骰子，也就是說，它們遵守玻色-愛因斯坦統(tǒng)計，可以搶占同一個量子態(tài)。當體溫足夠低或則激子密度足夠高時，許多激子可以匯聚到一個相干的量子態(tài)中，產生激子匯聚體。這些現象類似于玻色-愛因斯坦匯聚，也就是我們熟知的超流和超導現象的原理。
激子匯聚體具有特別特殊的性質，其中之一就是能否實現無磨擦的能量傳輸，也就是說，激子可以在材料中自由地流動，而不受任何妨礙或耗損。這對于找尋高效的能源轉換和借助系統(tǒng)具有重要的意義，并且實現激子匯聚并不容易，由于激子一般壽命很短，很容易通過復合而衰變。目前已知還能形成激子匯聚體的材料有限，但是一般須要在極端的條件下（如高溫、高磁場、高含量等）能夠觀察到。
光合作用中的能量傳輸
與此相反，自然界中存在著一種在常溫下實現高效能量傳輸的機制，那就是光合作用。光合作用是生物體將光能轉化為物理能的過程，其中一個關鍵步驟是光捕獲復合物對光子的吸收和轉移。光捕獲復合物由一系列色素分子組成，每位色素分子可以吸收特定波長的光，并將其轉化為電子激發(fā)態(tài)。這種電子迸發(fā)態(tài)可以在色素分子之間進行躍遷，產生色素分子間的激子。最終，這種激子會被反應中心捕獲，并觸發(fā)一系列物理反應，將光能轉化為物理能。
光合作用中的能量傳輸十分高效，在個別情況下甚至可以達到近乎100%的效率。這些高效的能量傳輸是怎樣實現的呢？科學家們早已發(fā)覺，光合作用中的能量傳輸并不是簡單的精典躍遷，而是涉及到量子相干效應。也就是說，色素分子間的激子可以處于疊加態(tài)，同時存在于多個可能的路徑上。這樣，激子就可以通過量子隧穿或則量子干涉等方法，更快地找到最優(yōu)的傳輸路徑，進而提升能量傳輸的效率和速率。這些量子相干效應在常溫下是很難保持的，由于會遭到環(huán)境的擾動和噪聲的影響，并且光合作用中的光捕獲復合物卻還能借助一些特殊的機制，如色素分子的排列、振動和保護等，來維持一定程度的量子相干。
激子匯聚類似的能量傳輸放大
這么，光合作用中的能量傳輸和激子匯聚有哪些關系呢？這就是近來發(fā)表的一篇論文要闡述的問題。作者提出了一個假定：在光合作用中，是否存在一種激子匯聚類似的機制，可以放大能量傳輸中的激子數目，進而提高能量傳輸的效率和速率？
為了驗證這個假定，作者采用了一個光合作用中最簡單也最常用的模型系統(tǒng)，即Fenna-（FMO）復合物。FMO復合物是一種存在于紅色硫真菌中的光捕獲復合物，由七個色素分子組成，每位色素分子可以用一個量子比特來描述。作者在這個模型的基礎上，引入了一個新的誘因，考慮每位色素分子內部的電子關聯(lián)。也就是說，每位色素分子不再是一個簡單的量子比特，而是由多個量子比特組成的一個多體系統(tǒng)。這樣量子物理糾纏態(tài)，每位色素分子就可以有多種迸發(fā)態(tài)，而不僅僅是能級和單迸發(fā)態(tài)。作者通過數值模擬，研究了這些電子關聯(lián)對能量傳輸的影響。
作者發(fā)覺，在考慮電子關聯(lián)的情況下，能量傳輸中出現了一種激子匯聚類似的放大效應，也就是說，在個別條件下，激子的數目會超過初始迸發(fā)的光子的數目，進而降低了能量傳輸的硬度。這些放大效應是通過粒子-空穴約化密度矩陣（RDM）來觀察的。RDM是一種描述多體系統(tǒng)中部份粒子之間關聯(lián)的語文工具，可以拿來估算系統(tǒng)的一些數學量，如能量、熵等。
粒子-空穴RDM是一種特殊的RDM，它描述了系統(tǒng)中存在的粒子和空穴之間的關聯(lián)，也就是激子的關聯(lián)。作者發(fā)覺，在考慮電子關聯(lián)的情況下，粒子-空穴RDM中出現了一些非零對角元素，這意味著系統(tǒng)中存在著多個激子，但是它們處于相同的量子態(tài)，類似于迸發(fā)子匯聚體。
作者進一步剖析了這些激子匯聚類似的放大效應的特性和影響誘因。她們發(fā)覺，這些放大效應是隨著能量傳輸的動力學而演變的，但是遭到色素分子間和色素分子內部的糾纏的影響。作者發(fā)覺，在考慮電子關聯(lián)的情況下，色素分子間和色素分子內部就會形成一定程度的糾纏，但是這種糾纏會影響激子匯聚類似的放大效應的大小和性質。據悉，作者還發(fā)覺，初始迸發(fā)模型（即選擇什么色素分子作為初始迸發(fā)源）和每位色素分子包含的量子比特數目也會影響放大效應。
最后，作者還闡述了怎樣調節(jié)色素分子內部的耦合硬度來優(yōu)化能量傳輸的速度。她們發(fā)覺，在考慮電子關聯(lián)的情況下，通過改變色素分子內部不同量子比特之間的耦合硬度，可以明顯地提升能量傳輸到反映中心的速度，而且存在一個最佳耦合硬度量子物理糾纏態(tài)，可以使能量傳輸速度達到最大值。在這個最佳耦合硬度下，能量傳輸速度可以比不考慮電子關聯(lián)的情況下提升近100%。