《IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications》：Guest Editorial Special Feature on Quantum Biology: Series III
编辑推荐：
本期《IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications》特辑汇聚了量子生物学领域的前沿研究，旨在探索量子力学与生命过程的深层关联，并挖掘其技术应用潜力。研究人员通过量子计算、数学建模及理论框架构建，分别研究了蛋白质折叠、鸟群导航、DNA点突变、铁蛋白-微管相互作用以及蛋白质-配体复合物电荷传输等关键问题。这些研究不仅深化了对光合作用、意识产生、物种导航等生命现象背后量子机制的理解，更为开发新型生物传感器、量子启发的计算范式及生物晶体管等未来技术提供了创新思路。
量子力学，这个描述微观世界粒子行为的物理学基石，长期以来似乎与温暖、潮湿且“嘈杂”的宏观生命世界格格不入。然而，越来越多的研究表明，生命系统中可能巧妙地利用着量子效应，例如量子隧穿、量子相干和纠缠，来高效完成诸如光合作用能量传递、鸟类地磁导航乃至嗅觉感知等复杂功能。这一交叉领域——量子生物学，正试图揭开生命可能作为一台精密“量子机器”的神秘面纱，并反过来为面临发展瓶颈的量子技术（如需要极低温环境的量子计算机）寻找来自生命进化的灵感。
在此背景下，《IEEE Transactions on Molecular, Biological, and Multi-Scale Communications》期刊推出了第三辑“量子生物学”特刊。本期特刊收录的五篇论文，正是这一蓬勃发展的交叉领域的缩影。它们共同指向一个核心问题：如何理解、模拟并最终借鉴生命系统中可能存在的量子过程，以解决基础科学难题并催生革命性技术？
为了回答这些复杂问题，研究人员采用了多学科交叉的技术方法。主要包括：结合分子动力学模拟与变分量子本征求解器(Variational Quantum Eigensolver, VQE)算法进行蛋白质折叠研究；基于拓扑数据场论构建鸟类多感官信息整合的数学框架；建立用于分析DNA点突变中非弹性质子隧穿(Inelastic Proton Tunneling)的开放系统动力学数学模型；通过生物物理实验与理论建模探究铁蛋白(Ferritin)与微管(Microtubules)的相互作用；以及从第一性原理出发，构建蛋白质-配体复合物中长程电荷传输的量子统计模型。
论文[A1]：铁蛋白与微管的体内相互作用将抑制微管超辐射和通过微管的电子能量迁移
这项研究关注铁蛋白（一种储铁蛋白复合物）与微管（细胞骨架的重要组成部分）之间的物理相互作用。证据表明，这种相互作用及其物理性质对于旨在检验“微管理论”(microtubule theory of consciousness)的实验至关重要。该理论认为微管内的量子过程可能与意识产生相关。研究表明，铁蛋白的存在可能会抑制微管中被称为“超辐射”(superradiance)的量子相干现象以及电子能量的迁移，这为设计验证该理论的实验提供了关键参数和约束条件。
论文[A2]：通过误差缓解VQE在张量网络模拟器和aria 1上实现泛素C无序区域的量子赋能蛋白质折叠
本研究应用分子动力学模拟与变分量子本征求解器(VQE)算法的组合，来解决蛋白质折叠问题，特别是针对泛素(ubiquitin)C端的无序区域。研究展示将蛋白质折叠问题映射到VQE框架是直观的，其解对应于最佳的折叠构象，同时也能展现所有可能的折叠构象空间。通过在张量网络模拟器和名为“aria 1”的量子硬件上进行基准测试，并采用误差缓解技术，证明了量子计算在解决此类复杂生物分子构象问题上的潜力。
论文[A3]：蛋白质-配体复合物中的电荷传输：一个初步的量子统计模型
该研究着眼于蛋白质-配体复合物中的长程电荷传输现象，并从第一性原理出发，为纳米尺度的一维半导体开发了一个数学模型。其动机在于解释长程电荷传输中欧姆定律的出现，并探索其在生物晶体管开发中的潜在应用。该模型为理解生物分子内高效的电荷传递机制提供了量子层面的理论基础。
论文[A4]：通过可量化代数结构的透镜理解纠缠：在鸟类导航中的应用
受到拓扑数据场论(Topological Field Theory of Data)的启发，这项研究为长程鸟类导航提出了一个新的广义框架，采用了一种新颖的方法来处理多个感官信息流的协调。这个新的形式化体系旨在为感觉整合提供严格的数学语义，并将其应用于鸟类导航这一具体问题。研究试图用量子纠缠(entanglement)等概念，为鸟类利用地磁场等信息进行精准导航的能力建立数学模型。
论文[A5]：非弹性质子隧穿在DNA点突变和遗传多样性产生中的作用
该论文提出了一个通过量子透镜来检验DNA点突变的新模型。具体而言，研究者论证了非弹性质子隧穿(Inelastic Proton Tunneling)是点突变过程中的潜在现象，并为此引入了一个数学模型来考察开放系统的动力学。该数学模型在生物学相关的参数范围内进行了测试，为理解遗传变异和进化的潜在量子物理机制提供了一种新的视角。
综上所述，本期特刊的五项研究从不同角度深入探讨了量子生物学中的核心议题。结论部分强调了该领域的跨学科特质与巨大潜力：一方面，利用量子力学模型和量子计算工具，可以更深刻地揭示生命过程（如蛋白质折叠、遗传突变、神经活动）的内在机制；另一方面，对生命系统中自然发生的、在温和环境下运行的量子效应的理解，有望为克服当前量子技术在传感、计算和通信领域面临的技术瓶颈（如对极端低温的依赖）提供革命性的新思路。例如，从高效的长程生物电荷传输中可能启发新型生物电子器件，而对鸟类量子导航机制的解析或有助于开发更强大的量子启发性算法。这些研究共同表明，量子生物学不仅是一个基础科学的前沿，更是一个连接生命科学与未来工程技术的桥梁，预示着从“理解生命”到“仿生创新”的新范式转变。
