Monte-Carlo wavefunction approach for the spin dynamics of recombining radicals
我们采用蒙特卡罗波函数（MCWF）方法来处理自由基对自旋选择性复合反应的开放系统自旋动力学。对于这些系统，非Lindbladian主方程被广泛采用，其通过非保迹Haberkorn超算子结合反应依赖的交换和单重态-三重态退相项来解释重组。我们表明，这种类型的主方程可以容纳在MCWF的方法，通过引入第二种类型的量子跳跃，占简单地通过适当终止传播的反应。通过这种方式，我们能够评估到目前为止一直被认为是不可治疗的主方程方法的系统的依赖于时间的自由基对生存概率的近似解。我们阐述了建议的方法与计算的自由基对反应，已被认为是相关的量子罗盘的鸟类和相关现象。
2020-05-12 physics.bio-ph quant-ph
Multiple re-encounter approach to radical pair reactions and the role of nonlinear master equations
我们制定了一个多遭遇模型的自由基对机制的基础上的自由基对一个极小模型环境的随机耦合。这些偶然的脉冲状耦合对应于自由基的遭遇，并引起失相和重组。虽然这是在协议与哈伯科恩和它的扩展，假设额外的失相的原始模型，我们展示了如何构建一个非线性主方程来描述的条件演化的自由基对之前检测到它们的重组。我们提出了一个非线性主方程的独立发展的自由基对，其非线性依赖于记录的荧光信号的合奏的演变。我们还重新制定哈伯科恩的原始参数的物理性反应运营商使用的术语的量子光学/开放量子系统。我们的模型允许一个指数模型内描述多个遭遇，并将其与主方程的方法。我们包括迄今被忽视的影响的遭遇，如单独的失相在三重态子空间，并预测潜在的新的影响，如格罗弗反射的激进自旋，可以观察到，如果强度和时间的遭遇可以通过实验控制。
2013-10-23 quant-ph
The sensitivity of a radical pair compass magnetoreceptor can be significantly amplified by radical scavengers
鸟类具有从地球磁场中获取导航信息的非凡能力。这种罗盘感的主要检测机制尚不确定，但似乎涉及隐花色素蛋白质中瞬时形成的自由基对的量子自旋动力学。我们在这里提出了一个新版本的当前模型中，自旋选择性重组的自由基对是不必要的。两个自由基之一被想象为通过自旋选择性电子转移与顺磁性清除剂反应。通过模拟隐花素激发的自由基对的自旋动力学，我们表明，新方案提供了两个明确的和重要的好处。对50 μT磁场的敏感性大大增强，并且与当前模型不同，磁感受器蛋白中的自由基可以相距超过2 nm。后者意味着具有色氨酸电子供体的四分体（而不是三分体）的动物隐花色素仍然可以被期望作为磁罗盘传感器。解除对自旋选择性复合反应速率的限制也意味着，通过将自由基放置得比当前模型中更远，可以最小化自由基间交换和偶极相互作用的有害影响。
2017-09-15 physics.bio-ph quant-ph
Experimental delayed-choice entanglement swapping
受量子纠缠的产生需要何种物理相互作用和物理过程这一问题的启发，Peres提出了延迟选择纠缠交换的激进思想。在那里，纠缠可以“在纠缠粒子被测量并且可能不再存在之后产生”。在这项工作中，我们报告的第一个实现佩雷斯的gedanken实验。使用四个光子，我们可以通过高速可调二分态分析器和量子随机数发生器主动延迟对其中两个光子的测量选择，使其延迟到另外两个光子注册的类时未来。这有效地将两个已经登记的光子投射到两个互斥的量子态中的一个确定的量子态上，其中光子是纠缠的（量子关联）或可分离的（经典关联）。这也可以被视为“量子转向过去”。
2012-10-04 quant-ph
Quantum Zeno Effect Underpinning the Radical-Ion-Pair Mechanism of Avian Magnetoreception
鸟类磁感受（候鸟利用地球磁场导航的感觉能力）背后复杂的生化过程已经缩小到鸟类视网膜蛋白中发现的自由基离子对的自旋依赖性重组。鸟类磁场检测是由自由基不成对电子的磁相互作用和自由基复合动力学之间的相互作用。这种机制的关键是自由基对自旋相干性的长寿命，因此弱地磁场将有机会发出信号。它在这里表明，一个基本的量子现象，量子芝诺效应，是在自由基离子对磁接收机制的基础。量子芝诺效应自然导致长自旋相干寿命，对系统物理参数没有任何约束，确保了这种感觉机制的鲁棒性。关于鸟类磁敏感性的基本实验观察是无缝导出的。这些问题包括磁灵敏度函数窗口和定向鸟群的航向误差，迄今为止，这些问题都没有得到理论上的证明。这里提出的发现可能与光合反应中的类似机制高度相关。它们还引发了关于进化机制的基本问题，这些机制使鸟类能够最佳地利用量子测量定律。
2008-04-16 q-bio.BM quant-ph
Spin relaxation in radical pairs from the stochastic Schrödinger equation
我们发现随机薛定谔方程（SSE）提供了一种理想的方法来模拟自由基对的量子力学自旋动力学。电子自旋弛豫效应所产生的自旋哈密顿量的波动是直接包括在这种方法中，他们的治疗可以结合一个高效的随机评估的痕迹在核自旋状态，这是需要计算实验观测。这些功能说明在示例应用程序中的一个黄素-色氨酸自由基对感兴趣的鸟类magnetoreception，和涉及自旋选择性自由基对重组沿分子线的问题。在这些例子中的第一个，SSE被证明是更有效的和更广泛的适用于比最近的随机实施的林德布拉德方程，它只提供了一个有效的治疗放松在极端狭窄的限制。在第二，确切的SSE结果被用来评估最近提出的组合Nakajima-Zwanzig理论的自旋弛豫和Schulten-Wolynes理论的自旋动力学，这是适用于更多的核自旋的自由基对的准确性。附录中详细分析了跟踪采样的效率，突出了SU（N）相干态采样的特殊优势。
2021-02-26 physics.chem-ph quant-ph
Scheme for detection of single-molecule radical pair reaction using spin in diamond
自由基对反应是化学反应对磁场敏感性的基础，在化学和生物学中具有重要作用。目前的实验证据是基于系综测量，然而，在单分子水平上探测自由基对反应的能力将提供有关其在重要生物过程中的作用的有价值的信息。在这里，我们提出了一个计划，在自由基对反应在环境条件下，通过使用单氮空位中心自旋金刚石中的电荷复合率。我们从理论上证明，它是可能的检测地磁场对自由基对反应的影响，并提出本计划作为一个可能的混合模型化学罗盘。
2017-05-29 quant-ph
On the optimality of the radical-pair quantum compass
University of Exeter（埃克塞特大学）
研究通过比较 radical-pair 重组产率方向依赖性与量子测量在稳态条件下的极限精度，探讨生物环境中量子指南针的最优性及改进潜力。
2024-01-05 physics.bio-ph quant-ph
Magnetoreception in cryptochrome enabled by one-dimensional radical motion
一个流行的假设归因于磁感应的重组反应的一对自由基的蛋白质隐色素。该模型的许多理论研究都忽略了自由基间的相互作用，特别是电子-电子偶极耦合（EED），这对磁敏性有不利影响。在这里，我们着手阐明，如果允许进行内部运动的自由基对可以产生增强的磁敏感性。我们的模型考虑了一个自由基合作伙伴沿一维反应坐标的扩散运动的影响。这种动力学原理上可以通过移动自由基通过蛋白质通道的实际扩散来实现，或者通过受到蛋白质结构重排和波动的结合自由基对来实现。我们表明，EED相互作用的抑制作用，可以减轻在这些情况下，由于量子芝诺效应和间歇性减少的EED耦合在自由基的扩散游览。我们的研究结果突出了与自由基对和随后的磁感度下的强EED耦合，在那里它以前没有被预期的动态环境的重要性，并证明了一个三重态出生的自由基对可以开发优越的灵敏度超过一个单线态出生的。
2023-03-20 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Chirality-bolstered quantum Zeno effect enhances radical pair-based magnetoreception
本文研究了手性诱导自旋选择性（CISS）对自由基对反应磁敏感性的影响，发现CISS诱导的自旋极化通过强化量子Zeno效应显著提升磁敏感性，而自旋相干性无此效果，表明CISS并非通用增强剂。
2025-05-02 physics.bio-ph quant-ph
Entangled radicals may explain lithium effects on hyperactivity
已知双相情感障碍及其锂治疗涉及氧化应激的调节。此外，已经观察到锂的效应是同位素依赖性的。基于这些发现，在这里，我们提出，锂发挥其影响，通过影响天然存在的自由基对涉及氧的重组动力学。我们开发了一个简单的模型，灵感来自隐花色素的自由基对机制的背景下，鸟类磁感受和氙诱导麻醉。我们的模型再现了观察到的同位素依赖锂治疗大鼠多动症。它预测了磁场对锂的有效性的依赖性，这为我们的假设提供了一个潜在的实验测试。我们的发现表明，大自然可能利用量子纠缠来进行大脑的认知过程。
2021-03-19 physics.bio-ph q-bio.NC quant-ph
Radical pairs may play a role in xenon-induced general anesthesia
了解全身麻醉的机制将是了解意识的关键一步。氙诱导的全身麻醉过程已被证明涉及电子转移，氙作为全身麻醉剂的效力表现出同位素依赖性。我们建议，这些意见可以解释的机制，其中氙核自旋影响的重组动力学的一个自然发生的自由基对电子。我们开发了一个简单的模型，灵感来自身体的工作的自由基对机制隐花色素的上下文中的鸟类磁感受，我们表明，我们的模型可以重现所观察到的同位素依赖性的氙在小鼠中的全身麻醉效力。我们的研究结果与具有纠缠自旋的自由电子对对意识可能很重要的想法一致。
2021-03-18 physics.bio-ph q-bio.NC quant-ph
Radical triads, not pairs, may explain effects of hypomagnetic fields on neurogenesis
成年小鼠海马神经发生和海马依赖性认知被发现受到低磁场暴露的不利影响。在没有地磁场的情况下，活性氧的减少也会产生这种效果。最近的一项理论研究提出了一个机制的解释，这一现象的框架下的自由基对机制。根据这个模型，黄素-超氧自由基对，出生在单重态自旋配置，经历磁场依赖的自旋动力学，使对的重组增强所施加的磁场减少。这个模型有两个明显的弱点：a）单重态初始状态的假设与产生这种自由基对的已知反应途径是不可调和的，b）该模型忽略了自由超氧化物的快速自旋弛豫，这消除了地磁/亚磁场中的任何磁敏感性。在这里，我们建议，一个模型的基础上的自由基三元组和二级自由基清除反应的假设，在原则上，可以解释的现象，没有不自然的假设，从而提供了一个连贯的解释亚磁场在生物学中的影响。
2022-06-16 physics.bio-ph quant-ph
Multi-Radical Lipkin-Meshkov-Glick Model for Avian Navigation
鸟类的导航机制是全球科学家关注的重要问题。最著名的候选者之一是自由基对机制（RPM），它表明鸟类导航是通过检测化学反应产物的量来实现的，这些反应对单重态和三重态自旋态表现出不同的性质。在此理论基础上，我们通过改变磁场的耦合强度和方向，探讨了单重态复合产物的数量。我们的模型中的自由基对与Lipkin-Meshkov-Glick（LMG）浴耦合，在量子相变（QPT）点得到了有吸引力的结果，特别是当磁场与自由基对的初始方向平行时.根据本文提出的一种方法，我们找到了导航能力最弱的QPT点。当磁场垂直于自由基对和浴槽所在的平面时，我们在哈密顿量中找到了不变子空间，这将大大加快我们的计算速度。研究结果有助于探索人工鸟导航的设计原理。
2022-03-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantum measurement corrections to CIDNP in photosynthetic reaction centers
化学诱导的动态核极化是许多光合反应中心出现的自旋有序的标志。这样的极化，显着增强以上热平衡，是已知的结果，从固有的自由基对机制的长期生活的电荷分离状态在光合作用反应中心的核自旋分选。我们将在这里表明，最近了解的基本量子动力学的自由基离子对反应开辟了一个新的和完全意想不到的场地获得CIDNP信号。的基本消相干机制固有的重组过程中的自由基对示出产生核自旋极化的顺序上的$10^4$倍或更高的热平衡值在地球的磁场相关的自然光合作用。这为从根本上探索光合作用中高核极化的生物学意义开辟了可能性。
2013-08-02 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Coherent chemical kinetics as quantum walks I: Reaction operators for radical pairs
经典化学动力学使用速率方程模型来描述反应如何在时间上进行。这样的模型足以描述反应中的状态转换，其中不出现不同状态之间的相干性，或者换句话说，只包含非相干转换的反应。包含相干跃迁的一个突出的例子是自由基对模型。这种反应的动力学由所谓的反应算子定义，该算子确定作为中间跃迁速率的函数的自由基对状态。我们认为，从量子信息理论的量子行走的著名的概念是一个自然和恰当的框架来描述多位点化学反应。通过组成克劳斯地图，一次只在两个网站上的行为，我们展示了如何量子行走形式主义可以应用到标准的鸟类自由基对反应的反应算子。我们的反应算子预测了与最近的实验[J. Chem. Phys. { \bf 139}，234309（2013）]一致的重组失相速率，这与Jones和Hore的先前工作[Chem.Phys.Lett. { \bf 488}，90（2010）]。标准的自由基对反应通常被描述为一个归一化的密度算子，包括自由基对和反应产物，或者由一个只考虑自由基对的痕量减少密度算子。我们证明了一个密度算符，它既是标准化的，又仅指自由基对状态。概括，包括额外的退相过程和任意数量的网站也进行了讨论。
2015-08-20 quant-ph
Driven spin dynamics enhances cryptochrome magnetoreception: Towards live quantum sensing
University of Exeter（埃克塞特大学）
研究通过调控隐花色素中自旋系统距离，增强磁感受灵敏度，揭示自旋跃迁对地磁场检测的提升作用。
2022-06-15 physics.bio-ph physics.comp-ph quant-ph
Sensitive Chemical Compass Assisted by Quantum Criticality
这种基于自由基对的化学反应可以被鸟类用于通过地磁方向进行导航。其内在的物理机制是自由基对从单重态到三重态的量子相干跃迁能够响应于弱磁场，并对磁场的方向敏感，从而在鸟类眼睛中产生不同的待感知色素。本文基于自由基对中两个电子所处环境的量子相变，提出了一种用于弱磁场超灵敏探测的量子仿生装置。我们证明了通过从单重态复合的化学产物的产率是由具有相互作用的核自旋的环境的Loschirton回声决定的。因此，环境的量子临界性可以提高弱磁场探测的灵敏度。
2011-05-12 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph quant-ph
Simulating spin biology using a digital quantum computer: Prospects on a near-term quantum hardware emulator
本研究利用Trotter化将自由基对自旋动力学映射到数字量子模拟，验证了与主方程的一致性，并评估了噪声影响，为生物自旋系统的量子模拟奠定基础。
2024-06-18 physics.bio-ph quant-ph
Robustness of the avian compass function described by radical pair model against biomagnetic noise
本文基于Lindblad主方程建立含环境磁噪声的模型，研究自由基对模型描述的鸟类指南针功能，发现其对生物磁范围内的热噪声具有鲁棒性，但会被数百至数千μT的强环境磁噪声显著破坏。
2025-03-11 physics.bio-ph quant-ph
Chiral-Induced Spin Selectivity Regulates Triplet formation in Heliobacterial Photosynthesis
Indian Institute of Technology, Roorkee（印度理工学院鲁尔基分校）
研究通过理论分析揭示手性诱导自旋选择性如何抑制螺旋细菌反应中心中的三重态形成，揭示了自旋控制在光合作中的内在量子保护机制。
2026-07-07 physics.bio-ph quant-ph
