Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет ..., печатный экземпляр отправим ...
Опубликовать статью

Молодой учёный

Термодинамика открытых квантовых систем как основа для моделирования биологических процессов

Научный руководитель
Физика
14.10.2025
14
Поделиться
Аннотация
В работе рассматриваются основные принципы квантово-термодинамического описания открытых систем, применимые к моделированию биологических процессов переноса энергии на молекулярном уровне. Классическая термодинамика оказывается недостаточной для описания неравновесных квантовых явлений, наблюдаемых в светособирающих комплексах, где когерентные осцилляции сохраняются в течение времен, сопоставимых с масштабами переноса возбуждения. В статье анализируются модели взаимодействия квантовой подсистемы с термостатом, включая классическую спин-бозонную модель и её расширения с учётом вибрационных мод, многосайтовой структуры и коррелированного шума. Особое внимание уделено механизмам ENAQT и вибрационно-ассистированного переноса (VAET), демонстрирующим конструктивную роль умеренного шума и структурированной среды в повышении эффективности переноса энергии. Рассмотрены как марковские, так и немарковские подходы к описанию динамики редуцированной матрицы плотности, а также методы расчёта квантово-термодинамических величин: энтропии фон Неймана, тепловых потоков, производства энтропии и квантового КПД. Показано, что взаимодействие с окружением может не только вызывать декогеренцию, но и оптимизировать передачу энергии благодаря разрушению локализации и резонансным вибрационным эффектам. Представлены рекомендации для моделирования спектральных плотностей и сравнения с экспериментальными данными фемтосекундной спектроскопии. Полученные результаты подтверждают, что квантовая термодинамика открытых систем является мощным инструментом для анализа эффективности биологических энергопреобразований и выявления роли когерентности, шума и информации в природных квантовых процессах.
Библиографическое описание
Балакина, О. А. Термодинамика открытых квантовых систем как основа для моделирования биологических процессов / О. А. Балакина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2025. — № 42 (593). — С. 1-6. — URL: https://moluch.ru/archive/593/129116.


Введение

Классическая термодинамика и классическая статистическая механика хорошо описывают макроскопические процессы в термическом равновесии, но оказываются недостаточными для описания высокоэффективных, окончательно нерегулируемых и неравновесных процессов на масштабе молекул и белковых комплексов. Экспериментальные данные по переносу возбуждения в светособирающих комплексах показывают наличие продолжающихся квантовых когерентных осцилляций в течение времен, сопоставимых с временами переноса энергии, что ставит под вопрос грубое представление о мгновенной декогеренции в «теплой и влажной» среде. Эти наблюдения породили программу применения теории открытых квантовых систем и соответствующей квантовой термодинамики для биологических задач [1].

Одновременно теоретические исследования выявили механизм «помощи среды» — когда определенный уровень флуктуаций среды повышает эффективность переноса энергии (ENAQT) — и его связь с классическими механизмами, а также важность учета вибраций и структурированной спектральной плотности среды для адекватного моделирования реальных молекулярных комплексов [2, 3, 4].

Постановка задачи. Модель системы и среды

Рассматриваем подсистему (например, электронные уровни хромофора или двухуровневая система «донор–акцептор») и окружающую среду (белковая матрица, фононы, вода).

Полная гамильтониана:

.

Типичные составляющие:

— гамильтониан подсистемы (двухуровневый или многосайтовый модель), содержащий межсайтовые переходы и локальные энергозоны;

— модель бани фононов (многочисленные моды среды);

— оператор взаимодействия (в простейшей спин-бозонной версии и ).

Основная задача — получить уравнение движения для редуцированной матрицы плотности и через нее вычислить динамику популяций, когерентностей и термодинамические величины.

Уравнения динамики: марковский и немарковский подходы

1. Марковская редукция и форма Линблада

В случае слабой связи с большой памятью-короротермальной средой и при выполнении приближения Бора–Маркова, эволюция описывается уравнением в форме Линблада:

где — операторы релаксации и декогеренции. Такая форма гарантирует полную позитивность и сохранение вероятности и служит базисом для большинства теоретических выкладок и расчетов в термодинамике открытых систем [9, 10].

2. Немарковские эффекты и структурированная среда

При сильной связи, при наличии резонансных вибрационных мод или, когда спектральная плотность среды несглаженная / сильно структурирована, применяется немарковский формализм: временно-сверточные и безвременные генераторы, и/или численные подходы, а также вычисление спектральной плотности на основе классической молекулярной динамики и квантовой коррекции. Важность точной спектральной плотности для правильного предсказания релаксаций, декогеренции и спектров подчеркнута в ряде современных исследований [6].

Модель спин-бозона и расширения (электрон-вибрационная корреляция)

Базовая модель спин-бозона для двухуровневой системы:

.

Эта модель описывает конкуренцию когерентного туннелирования ( ) и релаксации, обусловленной средой. Для реальных биомолекул модель расширяют включением:

— дискретных сильных вибрационных мод (вибронов), связанных с локальными структурами;

— многосайтовой структуры (сеть хромофоров), где перенос определяется как комбинация локальных переходов и кооперативных эффектов;

— коррелированных шумов (временных и пространственных корреляций) и конформационной динамики белка.

Такие расширения необходимы для описания сложного взаимодействия VAET и шум-ассистированного переноса ENAQT, а также для разумного сравнения с экспериментальными данными [4, 2, 5].

Когерентность, шум и оптимальность переноса энергии

1. Конструктивная роль шума

Классическая интуиция о том, что шум неизбежно разрушает квантовую когерентность, изменилась: умеренный шум способен разрушить локализацию и тем самым открыть более эффективные траектории переноса — основной механизм ENAQT. При слишком слабом шуме локализация на дисперсных состояниях снижает перенос; при слишком сильном шуме возникает квантовый «Зено-эффект» — подавление переноса [2, 3].

2. Взаимодействие VAET и ENAQT

Если в системе присутствуют выраженные локальные вибрации, они могут резонансно усиливать перенос (VAET). Механизм VAET и ENAQT могут конкурировать или усиливать друг друга в зависимости от спектральной структуры среды и уровня шума: в слабом классе шума VAET доминирует, но при увеличении шума воспроизводятся типичные черты ENAQT, включая поворот в режим Зено-подавления при очень сильном шуме [4].

3. Множественные оптимумы и влияние неоднородности

Недавние теоретические исследования показали, что в неоднородных и разреженных сетях переноса могут существовать не один, а несколько оптимальных режимов диссипации — «двойные пики» эффективности переноса. Это означает, что понятие «золотой середины» шума расширяется: геометрия сети и распределение локальных параметров порождают сложную карту оптимальности шума [5].

Квантово-термодинамические величины: определение и вычисление

1. Энтропия фон Неймана

Для подсистемы вводим энтропию фон Неймана:

.

Изменение отражает изменение смешанности состояния и является отправной точкой для оценки необратимости.

2. Тепловые потоки и работа

Разделение изменения энергии подсистемы на тепло и работу определяется стандартной квантово-термодинамической схемой:

,

где

, .

В случае стационарного гамильтониана работа от внешних полей равна нулю и все изменение энергии связано с тепловыми потоками и переносом в другие подсистемы.

3. Производство энтропии

Производство энтропии для подсистемы можно записать как

,

где суммирование производится по резервуарам с температурой . В квантовом случае корректный подсчет требует аккуратного выделения вкладов диссипатора и учета взаимодействия с окружением, особенно в немарковских ситуациях, когда возможен обратный перенос энергии и информации [9, 6].

4. КПД и «полезная» энергия

Для фотосинтетических систем полезная энергия определяется как энергия, доставленная в реакционный центр за время до рекомбинации. Квантовый КПД:

,

и на практике зависит от скорости переноса, уровней потерь (релаксация в невосстановительные каналы) и от параметров среды.

Практические расчеты и численные подходы

Для реальных молекул требуется сочетание методов: QM/MM для получения параметров , молекулярная динамика для автокорреляционных функций и спектральной плотности среды, HEOM или другие немарковские алгоритмы для точного интегрирования динамики. Для больших систем применяются приближенные мастер-уравнения с подстройкой диссипатора под вычисленную спектральную плотность. В последние годы также исследуются возможности квантовой симуляции открытой динамики как инструмент проверки моделей [6, 13].

Физические результаты и их значение для биологических систем

  1. Шум как ресурс. При умеренном уровне взаимодействия с окружением когерентность и диссипация балансируют так, что достигается повышенная вероятность упорядоченного переноса энергии. Это дает объяснение высокой эффективности в светособирающих комплексах при физиологических температурах [2, 3].
  2. Вибрации среды — не мелочь. Наличие сильных локальных вибрационных мод и структурированной спектральной плотности изменяет картину переноса: возможны резонансные усиления передачи и изменение оптимальных условий шума [4, 6].
  3. Неоднородность дает новые режимы. В сложных сетях переноса (биологические антенны с неоднородными параметрами) может возникать несколько оптимальных режимов диссипации — это дает более широкую «устойчивость» эффективности к вариациям внешних условий [5].
  4. Термодинамика информации. Когерентность и квантовые корреляции влияют на энтропийные потоки и тем самым на эффективное производство энтропии; это поднимает вопрос о роли квантовой информации в биологических процессах и в уточненной формулировке второго начала для открытых квантовых систем [9, 7].

Рекомендации для моделирования и экспериментов

Всегда сопоставлять модельную спектральную плотность с данными MD/эксперимента: белый шум — слишком грубое приближение. Для многих задач необходима структурированная спектральная плотность. Практическая рекомендация — вычислить автокорреляцию флюктуаций гамильтониана и преобразовать ее в спектральную плотность [6].

При поиске оптимального режима шума учитывать структуру сети: сканировать силу связи с термостатом и характеристики вибраций, и искать возможные несколько локальных максимумов эффективности [5].

Для сравнения с экспериментом измерения фемто- и пикосекундной спектроскопии должны сопровождаться моделированием немарковских эффектов; однозначные выводы о функциональной роли когерентности требуют моделирования и анализа энтропийных потоков, а не только наблюдения бит-осцилляций [1, 4].

Разработка квантовых симуляторов и алгоритмов для открытых систем — перспективное направление для тестирования гипотез о роли шума и вибраций в биологических комплексах [13].

Заключение

Термодинамика открытых квантовых систем предоставляет последовательный и вычислительно реализуемый аппарат для моделирования ключевых биологических процессов на молекулярном уровне. Учет структурированной среды, вибраций и возможной немарковской динамики позволяет перейти от качественных сценариев к количественным прогнозам эффективности переноса энергии, производства энтропии и роли квантовой когерентности. Современные исследования демонстрируют, что шум и фононная среда могут быть не только источником потерь, но и ресурсом, который биологические системы, возможно, эволюционно используют для повышения КПД при физиологических условиях.

Литература:

1. Engel G. S., Calhoun T. R., Read E. L., Ahn T.-K., Mancal T., Cheng Y.-C., Blankenship R. E., Fleming G. R. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems // Nature. — 2007. — Vol. 446. — P. 782–786.

2. Rebentrost P., Mohseni M., Kassal I., Lloyd S., Aspuru-Guzik A. Environment-assisted quantum transport // New J. Phys. — 2009. — Vol. 11. — 033003.

3. Plenio M. B., Huelga S. F. Dephasing-assisted transport: quantum networks and biomolecules // New J. Phys. — 2008. — Vol. 10. — 113019.

4. Li Z.-Z., Ko L., Yang Z., Sarovar M., Whaley K. B. Interplay of vibration- and environment-assisted energy transfer. arXiv:2110.09895 (2021). DOI/URL: https://arxiv.org/abs/2110.09895.

5. Coates A. R., Lovett B. W., Gauger E. M. From Goldilocks to Twin Peaks: multiple optimal regimes for quantum transport in disordered networks. arXiv:2210.11875 (2022). DOI/URL: https://arxiv.org/abs/2210.11875.

6. Holtkamp Y. M., Godinez-Ramirez E., Kleinekathöfer U. Spectral densities, structured noise and ensemble averaging within open quantum dynamics // J. Chem. Phys. — 2024. — Vol. 161. — 134101. DOI/URL: https://doi.org/10.1063/5.0224807.

7. Aleksashin M. K., Basharov A. M., Trubilko A. I. A local approach to the theory of open optical quantum systems and “violation” of the second law of thermodynamics // Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk. Seriya Fizicheskaya. — 2023. — Vol. 87, No. 10. — P. 1482–1492. DOI: 10.31857/S0367676523702599.

8. Сюракшин А. В., Салеев В. А., Юшанхай В. Ю. Квантовые модели в биологии // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. — 2022. — Т. 28, № 1–2. — С. 74–94. URL: https://journals.ssau.ru/est/article/view/10972.

9. Breuer H.-P., Petruccione F. The Theory of Open Quantum Systems. — Oxford: Oxford University Press, 2002.

10. Lindblad G. On the generators of quantum dynamical semigroups // Commun. Math. Phys. — 1976. — Vol. 48. — P. 119–130.

11. Weiss U. Quantum Dissipative Systems. 4th ed. — Singapore: World Scientific, 2012.

12. Kim Y. Quantum biology: an update and perspective // Quantum Rep. (MDPI) — 2021. URL: https://www.mdpi.com/.

13. Quantum algorithm for solving open-system dynamics on quantum computers using noise // Phys. Rev. A. — 2023. — Vol. 108. — 062424. DOI/URL: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.108.062424.

Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Молодой учёный №42 (593) октябрь 2025 г.
Скачать часть журнала с этой статьей(стр. 1-6):
Часть 1 (стр. 1-65)
Расположение в файле:
стр. 1стр. 1-6стр. 65
Похожие статьи
Механизмы ослабления сигналов, используемых в процессах квантовой обработки информации
Пределы закона Мура как перспектива развития квантовых технологий
Подходы к реализации алгоритмов машинного обучения в парадигме квантовых вычислений
К вопросу о материалистическом обосновании этики
Моделирование при изучении колебательных процессов по теме «Квантовые свойства излучения и вещества»
Потоки энергии и эксергии
Стохастические модели анализа качества в технологии атомной сборки наноматериалов и функциональных наноструктур
Исследование поведения стохастической энтропии системы клеточного автомата от исходной конфигурации распределения живых клеток
Подавление процесса фоторождения е+е- пар жёстким фотоном в сильном магнитном поле
Теоретический метод анализа микро- и наноструктур тонкопленочных покрытий с использованием принципов квантовой механики

Молодой учёный