Общеизвестно, что системы, подчиняющиеся квантовой механике, трудно визуализировать, но исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали метод иллюстрации, который отображает квантовые особенности в удобной для чтения диаграмме, называемой картой когерентности. Исследователи использовали эти карты для изучения квантовых механизмов, лежащих в основе фотосинтеза — процесса, посредством которого растения и некоторые бактерии используют солнечный свет для преобразования углекислого газа и воды в пищу.

«Было трудно поверить, насколько просты карты когерентности», — сказала Нэнси Макри, профессор химии в Университете Айленда и руководитель проекта. «При работе с неинтуитивными квантовыми явлениями как частью сложных процессов, таких как фотосинтез, интерпретация теоретических расчетов может быть довольно сложной задачей. Но карты когерентности сообщают вам все, что вам нужно знать, в одном снимке».

В исследовании, опубликованном в The Journal of Physical Chemistry Letters , исследовательская группа Макри применила карты когерентности для нового анализа более ранних компьютерных симуляций фотосинтезирующих бактерий. Исследователи изучили молекулярный комплекс, который «собирает» солнечный свет, поглощая его и передавая его энергию месту химической реакции, где перерабатываются углекислый газ и вода. Карты когерентности не только ясно показывали, как энергия передавалась к месту реакции, но и давали четкое квантовое объяснение этой передачи.

Макри объяснил, что карты когерентности — это иллюстрации приведенной матрицы плотности, математического объекта, содержащего всю информацию о квантовом поведении системы. «Даже для систем небольшого размера матрица уменьшенной плотности становится довольно большой, и все ее компоненты взаимосвязаны», — сказала она. «Это просто слишком много информации для анализа. Однако с картами когерентности есть масса информации, которая появляется на картинках с первого взгляда».

По словам Макри, эта информация позволила исследователям «очень прозрачно» идентифицировать пути передачи энергии в бактериальном светособирающем комплексе. Комплекс содержит внешнее кольцо и внутреннее кольцо молекул. Внешнее кольцо поглощает солнечный свет, а внутреннее кольцо содержит место химической реакции. Группа Макри показала, что два кольца связаны движением атомов в молекулах, а карты когерентности ясно показали, что эти движения фокусируют энергию от внешнего кольца к внутреннему кольцу.

«Забегая вперед, я считаю, что карты когерентности станут бесценным инструментом для теоретического анализа, основанного на квантовой механике », — сказал Макри. «Только в этом исследовании они дали важные сведения о механизме фотосинтеза, одной из величайших загадок биологии».

Исследовательская группа Макри сообщила о моделировании механизма переноса энергии у фотосинтезирующих бактерий в Science Advances , а группа представила карты когерентности в Журнале физической химии B.