《受生命體中量子相干效應啟發的量子相干器件設計》是依託北京師範大學，由艾清擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：受生命體中量子相干效應啟發的量子相干器件設計
- 依託單位：北京師範大學
- 項目負責人：艾清
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
量子力學是描述微觀世界的客觀規律，既然生物體是由原子、分子等構成，那么在巨觀生命體中應該存在量子相干效應。近十年以來，越來越多的實驗證據表明，生命體中的確存在量子相干效應，且被用來支持生物過程，譬如光合作用中能量傳輸和鳥類的遷徙。自然界中的生物經過數億年的優勝劣汰演化，終於在殘酷的環境中生存下來，由此啟發的量子相干器件設計必然能更好地服務於人類社會。本項目主要研究利用量子相干效應最佳化分子的空間分布，從而提高能量傳輸效率，由此設計高效率的能量傳輸器件；並以自由基對假說為基礎，通過初態製備和外加雷射脈衝等量子調控手段增強微弱磁場探測的靈敏度，設計高測量精度的量子導航儀。力爭在能量傳輸和微弱磁場探測方面做出一些有創新性的研究成果，推進量子相干器件的研究發展。
結題摘要
量子力學是決定微觀世界動力學的基本原理。近20年以來，一系列的實驗與理論研究表明，在光合作用與鳥類導航中存在量子相干效應，且被用來支持並最佳化生理過程。 受此啟發，我們提出用量子相干等特性設計量子相干器件，並取得了一系列有創新性的研究成果：（1）我們提出了新穎的Mobius結構，套用於高效率的能量傳輸、製備具有負折射現象的超材料。在集體激發和暗態機制的基礎上，Mobius結構利用二聚化進一步最佳化能量傳輸過程。Mobius結構由於存在對稱性自發破缺，可以同時進行電/磁回響，實現負折射現象，由於是基於分子的量子躍遷，相對於經典超材料製備更簡單，尺寸更輕薄。由於尼古丁代謝物可替寧具有分子破缺環共振腔結構，我們提出了一種新型的指紋識別方案，當觀察到負折射現象時，指紋中就含有可替寧成分，從而實現指紋的非破壞性物理分析。（2）為了驗證我們關於最最佳化能量傳輸結構的發現，我們提出了一種新的模擬非馬爾可夫量子開系統動力學過程的量子算法，它可以有效模擬任意結構和環境作用下的開系統量子動力學過程，指數加快模擬速度，且是精確求解。（3）我們研究了金剛石氮空位色心的橫向弛豫行為，發現它對微弱的地磁場非常敏感，由此我們提出了用金剛石氮空位色心的橫向弛豫時間探測微弱磁場、並進行導航的新方法，提高了探測的靈敏度。金剛石氮空位色心周圍的核自旋由於具有長退相干時間和便於操控等特性而被廣泛用於量子信息處理，我們提出了用暗態機制極化核自旋的方案，它具有在各種核自旋條件下都適用，極化率高，一次極化等優勢。 在本項目研究過程中，發表標註本項目資助的SCI論文18篇，其中npj Quantum Inf.、Phys. Rev. A/E/Applied、Optics Express、New J. Phys.、Ann. Phys.等著名期刊上發表標註論文10篇，遠超過了發表學術論文6-8篇的預計目標；在國際國內重要學術會議上作學術報告9次，達到了5-10次的預計目標；培養博士畢業生1名、碩士畢業生3名，在讀碩士生4名。
