Decoherence in the chemical compass: The role of decoherence for avian magnetoreception
与通常认为退相干破坏量子特性并导致量子到经典跃迁的观点相反,我们认为退相干也可以在驱动量子动力学并将其结果放大到宏观尺度方面发挥建设性作用。我们支持这一观点,提出了一个例子系统自旋化学,这也是生物系统的重要性,例如在鸟类磁感受。
2012-08-23 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.hist-ph
Environment-induced anisotropy and the sensitivity of the radical pair mechanism in the avian compass
多年来的一些实验表明,地球的磁场对鸟类迁徙的方向至关重要。对这种取向最有希望的解释是光刺激自由基对(RP)机制。为了定义定向任务的参考系,自由基必须具有固有的各向异性。我们表明,这种各向异性,因此在模型中的纠缠,是没有必要的指南针的正常运作。经典相关的RP的初始条件,进行快速退相干过程,能够提供所需的各向异性。即使是一个失相的环境也可以为指南针提供工作所必需的框架,并且还意味着系统中任何量子相关性的快速衰减而不损害定向能力。这一事实大大扩展了RP机制的适用范围,为实验搜索提供了更多的元素。
2015-08-07 physics.bio-ph quant-ph
Avian magnetoreception model realized by coupling magnetite-based mechanism with radical-pair-based mechanism
许多动物已被证实利用地磁场导航,但磁感受的生物物理机制仍然是个谜。本文提出了一个特殊的生物物理模型,包括磁铁矿为基础的和自由基对为基础的机制,鸟类磁感受。磁性粒子周围的合成磁场的幅度对应于地磁场方向,并影响自由基对反应中单重态/三重态产物的产率。因此,在所提出的模型中,单重态/三重态产物产额与用于定向检测的地磁场信息有关。分析了两种不同磁性材料在不同地磁场方向下的合成磁场。结果表明,生物体内的铁磁性颗粒比超顺磁性颗粒能提供更显著的单重态产物变化,当磁性颗粒为铁磁性材料时,单重态产物在地磁场中随夹角变化的周期约为180°,与鸟类磁罗盘的实验结果一致。此外,单重态产物在接收平面的计算结果表明,该模型可以解释鸟类的磁接收机制与倾斜罗盘。
2012-04-25 physics.bio-ph
Entanglement and Sources of Magnetic Anisotropy in Radical Pair-Based Avian Magnetoreceptors
候鸟磁感应的主要模型之一是依赖于眼睛隐花色素蛋白中光化学产生的瞬态自由基对的量子自旋动力学。我们认为在这里的作用,电子自旋纠缠和相干性,在确定的灵敏度,一个激进的对基于地磁罗盘和起源的方向响应。它出现的各向异性的自由基对形成的自旋极化的分子三重态可以形成一个更敏感的罗盘传感器比一个建立在传统的超精细各向异性模型的基础。这一特性为设计生物灵感的磁罗盘传感器提供了新的和更灵活的机会。
2012-06-26 physics.bio-ph physics.chem-ph
Role of CISS in the Radical Pair Model of Avian Magnetoreception
本文研究手性诱导自旋选择性(CISS)对鸟类磁感应自由基对模型的影响,发现CISS能成倍提升鸟类罗盘灵敏度并抵消偶极相互作用的有害影响,使模型在保持高灵敏度下具备更现实的反应速率,但未能找到同时满足功能窗口与CISS的参数集。
2022-08-31 physics.bio-ph quant-ph
Quantum dynamics of the avian compass
候鸟相对于地球磁场定向的能力被认为涉及一个自由基电子对的两个自旋态的相干叠加。然而,在面对与细胞环境的强相互作用时,这种一致性能够保持的机制仍然不清楚。这封信解决了由于与自旋1/2核浴超精细相互作用而引起的两个电子自旋之间的退相干问题。的径向对密度矩阵的动力学推导和示出产生一个简单的机制,用于感测磁场方向。退相和退相干率从头计算,并发现产生毫秒的相干时间,与行为实验一致。
2014-09-19 physics.atom-ph 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
Estimating the HF coupling parameters of the avian compass by comprehensively considering the available experimental results
候鸟可以通过广泛接受的自由基对机制利用地磁场进行定向和导航。虽然人们做了大量的理论工作,但对已有的实验结果没有充分考虑,特别是在磁场增加30%的情况下产生的暂时性定向误差和$15nT$的极弱共振场引起的定向误差。本文将单重态屈服角分布的单调性作为方向灵敏性的前提,发现对于某些超精细耦合参数的最佳值,即$10^{-7}\sim10^{-6}meV$阶,可以满足现有的实验结果。我们还研究了两种退相干环境的影响,并表明,为了满足现有的实验结果,退相干率应远低于复合率。最后研究了起伏磁场噪声的影响,发现垂直磁场噪声完全破坏了剖面的单调性,而平行磁场噪声则完全保持了剖面的单调性,甚至可以增强剖面的方向灵敏度。
2013-09-14 physics.bio-ph quant-ph
Quantum coherence and sensitivity of avian magnetoreception
候鸟和其他物种有能力通过感应地磁场来导航。最近的实验表明,导航中的基本过程发生在鸟瞰中,并使用涉及具有未成对电子自旋(自由基对)的分子离子的化学反应。传感是通过依赖地磁的未成对电子自旋动力学来实现的。在这里,我们利用欧洲知更鸟进行的两个行为实验的结果认为,自由基对的平均寿命时间是微秒的顺序,因此同意与实验估计的参数隐花色素-色素被认为是形成自由基对。我们还发现了一个合理的参数制度的灵敏度的鸟类罗盘增强环境噪声,显示长的相干时间是不需要的导航,甚至可能破坏它。
2012-05-31 cond-mat.other physics.bio-ph quant-ph
Comment on "Quantum Control and Entanglement in a Chemical Compass"
在这篇评论中,我们表明,鸟罗盘纠缠的考虑,蔡,G。G. Guerreschi和H. J. Briegel(Phys. Rev. Lett. 104,220502(2010))导致对该生物化学传感器的磁灵敏度的非物理预测。从一系列关于精确测量和标准量子极限的详细推导的论文中可以看出,不考虑退相干会导致对纠缠寿命的高估,这就是手头的情况。作者错误地假设纠缠寿命与反应时间(复合速率的倒数)无关,因此大大高估了纠缠寿命。这是因为自旋相干寿命受到反应时间的限制,纠缠寿命不能再长。
2011-02-19 physics.bio-ph physics.chem-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
Lamb shift in radical-ion pairs produces a singlet-triplet energy splitting in photosynthetic reaction centers
自由基离子对是理解光合作用和鸟类磁罗盘的基础,最近被证明是生物开放量子系统。我们在这里表明,耦合的自由度的自由基对它的消肩振动水库导致移动的自由基对的磁能级。兰姆位移哈密顿量在单重态-三重态基础上是对角的,并且导致单重态-三重态能量分裂在物理上与交换相互作用不可区分。这可能对理解光合作用反应中心的能级结构和动力学具有重要意义。
2014-09-28 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Retrodictive derivation of the radical-ion-pair master equation and Monte-Carlo simulation with single-molecule quantum trajectories
自由基离子对反应,在光合作用和鸟类的磁罗盘机制的中心,最近被证明是一个范例系统,应用量子信息科学在生物化学设置。描述自由基离子对反应的基本量子主方程仍在争论中。在这里,我们使用量子追溯来产生在Phys. Rev. E { \bf 83},056118(2011)中提出的理论的严格改进。我们还提供了一个严格的分析所需的单重态-三重态的相干性的措施,以获得自由基对主方程。单分子量子轨道的蒙特卡罗模拟支持我们的方法的自洽性。
2014-10-24 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
The radical-pair mechanism as a paradigm for the emerging science of quantum biology
自由基对机制是在20世纪60年代引入的,用于解释有机分子化学反应中巨大的EPR和NMR信号。它已经发展成为自旋化学的基石,研究电子和核自旋对化学反应的影响,鸟类磁罗盘机制和光合反应中心动力学是这种影响的突出生物物理表现。近年来,自由基对机制被证明是一个理想的生物系统,量子信息科学的概念工具可以卓有成效地应用。我们将在这里回顾最近的工作,证明自由基对机制确实是量子生物学新兴领域的主要驱动力。
2016-01-01 physics.atom-ph physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantum Information Processing in the Radical-Pair Mechanism: Haberkorn theory violates the Ozawa entropy bound
自由基离子对反应是理解鸟类磁罗盘和光合反应中心自旋传输的核心,最近被证明是量子信息科学与生物过程新合成的一个富有成效的范例。我们在这里表明,迄今为止构成自旋化学理论基础的主方程违反了量子系统熵的基本界限,特别是小泽界限。与此相反,最近发展的理论的基础上,量子测量,量子相干性措施,和量子追溯,从而举例说明量子生物学的范式,满足小泽界以及兰福德-罗宾逊界的信息提取。通过考虑Groenewold信息,即反应过程中提取的量子信息,我们重现了已知的磁场效应,并解开了反应产率未传达的其他磁场效应。
2017-02-23 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Quantum Zeno Effect Explains Magnetic-Sensitive Radical-Ion-Pair Reactions
涉及自由基离子对的化学反应在生物学中无处不在,因为它们不仅是光合反应链的基础,而且被认为是鸟类导航所使用的生物化学磁罗盘的基础。最近的实验与磁敏感的自由基离子对反应提供了强有力的证据,自由基离子对磁感受机制,验证预期的磁灵敏度和化学产品的产量变化。这里表明,自70年代以来使用的自由基离子对反应的理论描述不能解释观察到的数据,因为它是基于掩盖量子相干性效应的唯象方程。从基本的量子测量理论考虑,这里导出的基本密度矩阵方程自然地包含了量子芝诺效应,并很容易解释最近的实验观察低和高磁场自由基离子对反应。
2009-08-13 physics.bio-ph q-bio.BM quant-ph
The rationality of radical pair mechanism in real biological systems
本文比较了RPM模型与Ramsey-like模型在实验室和体内条件下的表现,发现RPM在信息不可用时更具实用性,但精度较低。
2025-11-25 physics.bio-ph quant-ph
Identifying possible mechanism for quantum needle in chemical magnetoreception
本研究通过优化技术发现新型模型系统,显著增强量子针特征并放宽自由基对寿命要求,同时揭示地磁场附近的狭窄功能窗口,为化学磁感知中量子针的物理机制提供关键证据。
2024-01-29 physics.bio-ph quant-ph
Quantum-limited biochemical magnetometers designed using the Fisher information and quantum reaction control
自由基-离子对及其反应引发了对生物系统中量子效应的研究。这是因为它们表现出了许多在量子信息科学中最好理解的效应,同时也是理解鸟类磁罗盘和光合反应中心自旋传输动力学的核心。在这里,我们从量子精密测量的角度来解决自由基对反应。由于自由基对的相干自旋运动受到外部磁场的影响,这些自旋相关的反应基本上实现了生物化学磁力计。利用量子费舍尔信息,我们找到了径向对磁强计磁灵敏度的基本量子极限。然后,我们探讨如何以及通常的测量方案考虑在自由基对反应,反应产率的测量,接近基本的限制。在这样做时,我们找到了最佳的超精细相互作用哈密顿量,导致最好的磁灵敏度从反应产率。这仍然比绝对量子极限小一个数量级。最后,我们证明了一个现实的量子反应控制提醒拉姆齐干涉,这里提出的量子线路涉及的自旋交换相互作用和最近提出的分子开关,我们可以接近的基本量子极限的一个因素2。这项工作开启了先进的量子精密测量方法在生物系统中的应用。
2016-11-27 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Quantum evolution: terrestrial fine-tuning of magnetic parameters
本文探讨人类多行星定居背景下,磁场等环境因素对生物系统的长期影响,提出自由基对机制作为弱磁场作用的可能量子生物学解释,并综述其研究进展。
2024-10-18 physics.bio-ph quant-ph