量子生物學正越來越受歡迎，它提出了一個非常有趣的問題：是否存在需要量子力學才能發揮作用的生物過程？量子過程通常需要在非常特定的條件下才能工作，當物理學家探索量子效應時，實驗的環境通常在接近絕對零的溫度下，使用非常昂貴的設備完全隔離。因此，這些相同的過程發生在現實生活中似乎很奇怪。但過去十年的實驗表明，情況確實如此。

故事開始于2007年4月，一群麻省理工學院的物理學家正在分享他們發現的科學文章，其中一篇文章暗示植物是微型量子計算機。這種提議馬上得到了這群物理學家的嘲笑聲，幾十年來人們一直在努力創造一臺量子計算機，難道這些愚蠢的植物會比人類聰明？我們很快就會看到，他們笑起來是多么的愚蠢。

光合作用之謎

首先，讓我們談談為什么會有人提出這種說法。植物作為量子計算機，聽起來確實有點牽強。要理解這一點，我們首先要理解生物學中一個非常古老的謎題：為什么光合作用這么有效？

地球上的光合作用每秒可以產生超過15000噸的生物質，即使在如此大的規模上，光合作用也只是一種化學反應。植物吸收二氧化碳、水和陽光，并將這些成分轉化為糖、氧氣和可用能量。光合作用的整個過程發生在植物細胞內的葉綠體中，并且它充滿了稱為葉綠素的小綠色色素。

要了解陽光如何從光子變成可用的能量，我們需要了解葉綠素化學的一些背景知識。這些分子有很長的碳和氧主鏈，一個大的碳和氮網格圍繞著單獨的鎂原子。這使得鎂的最外層有一個電子幾乎沒有“掛在”那里，因此，當一個光子進入時，它的能量會將該電子從鎂上擊落。

通常我們認為鎂離子是一個整體，它只是失去了一個電子而帶正電。但為了讓這一切有意義，我們需要稍微重新構建它。把它想象成一個中性鎂、一個電子和一個帶正電的空穴在電子的位置。這時候，空穴和電子被稱為激子，它可以儲存能量。為了從陽光中獲取能量，植物需要將該激子送到反應中心，以進行電荷分離的過程。這個過程涉及從鎂中獲取電子并將其轉移到附近的一些分子，以便它可以產生穩定的分子，那里就是產生光合作用的化學過程。

但是，轉移激子是困難的。葉綠體可以將能量從一個葉綠素轉移到另一個葉綠素，直到它到達反應中心，但這條路徑真的很遠。此外，葉綠素超級密集地堆積在一起，那么激子如何知道該走哪條路？多年來，我們認為它隨機地進行轉移，直到進入反應中心。但這樣的過程會使激子容易丟失而不是進行化學反應，然而現實中光合作用是百分百發生，幾乎不會發生電子丟失。這比任何人們發明的技術都要有效，經典化學無法解釋如此高效的過程。

量子力學解釋

這是生物學中一個長期存在的難題，麻省理工學院的物理學家都在嘲笑的文章是在建議用量子效應來解決這個問題。疊加效應是量子力學中的一個主要思想，一個量子粒子在被測量之前，它以波的形式同時出現在所有地方。一旦被測量，它就會在一個位置坍縮成一個粒子。當量子粒子在岔路口時，它不需要進行選擇，量子效應可以使它遍歷所有路徑。這正是這篇文章所提到的，激子可以通過所有可能的路徑而到達反應中心。

仔細想想，這種解釋實際上是有道理的，那為什么這些物理學家都在嘲笑呢？這是因為所有量子過程的最大敵人是一種叫作退相干的東西。上述提到，疊加效應只能持續到被測量之前，在量子力學中，測量意味著這個波粒子與任何東西相接觸。當它處于波動狀態時，就是處于相干狀態，當它被測量或破壞時，就是退相干。退相干是物理學家在處理量子力學效應時需要特定條件的原因，也就是文章一開頭所提到的。

在我們的宏觀世界中，有如此多的粒子在四處彈跳，以至于相干性無法持續足夠長的時間而無法被檢測到。這就是日常生活看不到量子效應的原因，這也是創造量子計算機的主要難點。物理學家想出了各種辦法來保護這些珍貴的粒子免受外界的傷害：將它們冷卻到很低的溫度并試圖將它們完全隔離。但在當時，沒有任何方法可以完全阻止退相干。

量子實驗

現在，這篇文章是在暗示植物可以在正常的溫度和條件下避免退相干。于是，麻省理工學院的物理學家之一塞斯·勞埃德決定深入研究，他的研究結果引起了巨大轟動。

實驗使用一種稱為二維傅里葉變換能譜的技術，使得研究小組能夠探究光合復合物的內部結構。他們向其中發射了三個連續的激光脈沖，產生了一個光信號，然后被探測器接收到。如果激子之間真的存在相干性，他們應該能夠看到不同路徑之間的干涉或所謂的量子拍。

在整理數據之后，研究人員最終得到了他們想要的東西：一個上升和下降信號，可能是波干涉時產生的模式。換句話說，這個量子拍表明激子不是通過葉綠素迷宮的單一路線，而是同時沿著多條路線前進。從那時起，科學家又進行了許多實驗，也都證實了這一結果。

盡管這種量子拍不斷出現，但對于如何解釋它仍然存在一些反對意見。該領域的一些專家認為它是由分子振動引起的，而與相干性無關。也有一些人認為這確實是相干性的證據，但它的幅度太小，不可能起源于激子。