自然界历经数十亿年的演化，已将光合作用臻于完善，这一过程直接或间接支撑着地球上几乎所有的生命。在此期间，该过程将阳光的能量从受体传输至可被利用的反应中心，效率接近100%，这一表现远胜于即便是最好的太阳能电池。
植物实现这一效率的途径之一，是利用量子力学的奇异效应，这些效应有时被称为“量子怪异性”。其中包括粒子同时存在于多个位置的能力。麻省理工学院的工程师现已利用这些效应，在一个光捕获系统中实现了显著的效率提升。
令人惊讶的是，麻省理工学院与意大利能源公司Eni的研究人员实现这一太阳能新方法，并非依靠高科技材料或微芯片，而是利用了经基因工程改造的病毒。
这项将量子研究与基因操纵相结合的成果，本周发表于《 Nature Materials》期刊，由麻省理工学院教授Angela Belcher（专长为改造病毒以完成与能源相关的任务）和Seth Lloyd（专长为量子理论及其潜在应用）、研究助理Heechul Park，以及麻省理工学院、Eni和意大利高校的14位合作者共同完成。
机械工程教授Lloyd解释说，在光合作用中，一个光子击中一种名为发色团的受体，进而产生一个激子，即一种能量的量子粒子。这个激子从一个发色团跳到另一个，直至抵达反应中心，在那里，该能量被用于合成维持生命的分子。
但是，除非这种跳跃路径能够利用量子效应，实际上同时走多条路径并选出最优路径，表现得更像波而非粒子，否则这种跳跃路径是随机且低效的。
激子的高效移动有一个关键要求：发色团必须排列得恰到好处，彼此之间的间距须恰如其分。Lloyd解释说，这被称为“量子金发姑娘效应”。
这时病毒便派上了用场。团队对Belcher多年来一直研究的一种病毒进行改造，使其能够与多个合成发色团（在此即有机染料）结合。随后，研究人员得以培育出多种病毒变体，它们的合成发色团之间的间距略有不同，并从中筛选出表现最佳的一些。
最终，他们使激子的速度提高了一倍以上，并增加了激子在消散前所传播的距离，这是该过程效率的一次显著提升。
该项目始于在意大利诺瓦拉的Eni实验室举办的一次研讨会。Lloyd与生物工程教授Belcher在会上汇报了各自参与过的不同项目，并与Eni的研究人员一同探讨了一个能够融合两人截然不同专长的项目的可能性。Lloyd的工作以理论研究为主，他指出，Belcher所使用的病毒具有恰当的长度尺度，有可能支持量子效应。
Lloyd曾于2008年发表一篇论文，证明光合生物正是因为这些量子效应而能高效传递光能。当他看到Belcher关于改造病毒工作的报告时，他想知道，这是否可能提供一种人工诱导类似效应的方法，以期接近自然界的效率。
“我一直在谈论可用于演示这种效应的潜在系统，Angela便说：‘我们已经在制造这些了。’”Lloyd回忆道。经过大量分析，最终，“我们提出了设计原则，以重新设计病毒捕获光的方式，并使其进入这一量子区域。”
两周之内，Belcher的团队便制造出了首个改造病毒的测试版本。随后，又经过数月的工作，才完善了受体和间距。
团队改造病毒之后，便利用激光光谱学和动力学建模来实时观察光捕获过程，并证明新病毒确实利用了量子相干性来增强激子的传输。
“这真的很有趣，”Belcher说，“我们一群说着不同[科学]‘语言’的人密切合作，既要制造这类生物，也要分析数据。这就是我对此如此兴奋的原因。”
团队表示，尽管这一初步结果本质上是概念验证，而非实用系统，但它为一种方法指明了方向，该方法可能带来廉价且高效的太阳能电池或光驱动催化。迄今为止，改造后的病毒能够收集并传输入射光的能量，但尚未利用这些能量来产生电力（如太阳能电池）或分子（如光合作用）。不过，这一点可以通过在病毒末端，即激子最终抵达之处，添加一个反应中心来实现，该反应中心正是进行此类处理的场所。
“这是一项令人振奋的高质量研究，”哈佛大学化学与化学生物学教授Alán Aspuru-Guzik说道，他并未参与这项工作。他表示，该研究“将理论领域的领军人物（Lloyd）与实验领域的领军人物（Belcher）的工作结合在一起，形成了一种真正跨学科、令人振奋的组合，其范围从生物学延伸到物理学，并可能延伸至未来技术。”
“可控激子体系的获取，是该领域许多研究人员共同追求的目标，”Aspuru-Guzik补充道。“这项工作提供了基础性认识，有助于开发能够增强激子流动控制力的器件。”
本文系与 麻省理工学院合作刊发。 刊载并不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：David L. Chandler是一位自由撰稿人兼作家，自1975年起便开始撰写科学类文章。他现任加州大学伯克利分校Bruce Mahan化学教授。他于1966年获得麻省理工学院化学理学学士（S.B.）学位，并于1969年获得哈佛大学化学物理博士学位。
图片：分子遗传学技术人员在一所医学院的遗传学中心工作。REUTERS/Jim Young。
