每個人都曾經這樣認為。然而，近年來的科學發現表明，大自然擁有壹些物理學家不知道的技能，量子相幹可能在自然界無處不在。我們知道或科學家懷疑的例子包括，從鳥類能夠利用地球磁場導航到光合作用的內部機制。
美國麻省理工學院物理學家塞思·勞埃德(Seth Lloyd)表示，許多生物以自己的方式使用量子相幹過程，這有點像在玩“量子陰謀”。壹些研究人員甚至開始談論壹門新興學科——量子生物學。他們認為量子效應是自然界最重要的作用方式之壹。實驗物理學家也更加關註這個領域。勞埃德說:“我們希望從生物系統的量子技能中有所收獲。更好地理解量子效應如何在生物體中保持，可能有助於科學家成功實現量子計算這壹難以實現的目標；或許，我們還可以在此基礎上制造更好的儲能器件和有機太陽能電池。”
量子相幹有助於光合作用。
光合作用是植物和藻類利用葉綠素，部分細菌利用自身細胞，在可見光照射下，將二氧化碳和水(硫化氫和水為細菌)轉化為有機物，並釋放氧氣(氫氣為細菌)的生物化學過程。這個過程對於生物界幾乎所有的生物都是必不可少的，因此光合作用壹直是科學家們關註的焦點。
研究人員壹直懷疑光合作用中發生了壹些不尋常的事情。自20世紀30年代以來，科學家們意識到這壹過程必須用量子力學來描述。量子力學認為，電子等粒子的行為通常像波壹樣。光子擊中天線分子會激起高能粒子波——應激源，就像壹塊石頭掉進池塘會激起漣漪壹樣。這些壓力源將從壹個分子“旅行”到另壹個分子，直到它們到達反應中心，但它們的“旅行”路徑是由隨機和無導向的跳躍組成的還是它們的行動更有組織？許多現代科學家指出，這些應激源可能是相關的，它們的漣漪會擴展到多個分子。然而，與此同時，它們將保持同步並相互加強。
因此，科學家們得出了壹個非常簡單的結論:相幹量子波可以同時以兩種或兩種以上的狀態存在，因此相幹應激源可以壹次以兩種或兩種以上的路徑穿越天線分子組成的“森林”。事實上，它們可以同時檢測到多個可能的選項，並自動選擇最有效的方式到達反應中心。
四年前，由加州大學伯克利分校的化學家格雷厄姆·弗萊明領導的兩個研究小組試圖獲得支持這壹假設的實驗證據。壹個團隊使用壹系列極短的激光脈沖來檢測綠硫細菌的光合器官。盡管科學家們不得不使用固態氮將樣品冷卻到77K(-196攝氏度)，但激光中探測到的數據清楚地表明了相幹應力狀態存在的證據。第二個團隊對紫色細菌進行了相同的實驗，在180K(-93攝氏度)下運行時發現了相同的量子相幹性。
2010年，第壹個科學家團隊發表了室溫下細菌中量子相幹的證據，表明相幹不僅是低溫實驗環境的產物，而且對現實世界中的光合作用非常重要。與此同時，來自加拿大多倫多大學的化學家Gregory Scholes領導的研究小組也在《自然》雜誌上報道了室溫下的相幹效應——這次不是在細菌中發現的，而是在進行光合的普通海藻中發現的。
在這篇論文中，研究人員通過在壹個來自藻類的5納米寬的光合蛋白上直接顯示電子激發的量子相幹共享，證實了量子效應可能在其中發揮作用的理論。觀察表明，這些蛋白質中的遠距離單元通過量子相幹連接起來，以提高光收集效率。
斯科爾斯帶領研究人員通過二維電子光譜研究了兩種不同藻類在室溫下的光吸收機制:這種被稱為捕光復合物的特殊蛋白質捕捉陽光，並將能量註入光反應中心。斯科爾斯用飛秒激光脈沖讓蛋白質模擬吸收太陽光的行為，發現吸收的光能同時出現在兩個地方，即呈現量子疊加態。這說明在所考察的生物體系中，即使在室溫下，量子力學的隨機定律也優於經典動力學定律。
斯科爾斯打了壹個比喻來解釋這項研究:如果妳有三條可供選擇的路徑在高峰時間開車回家，妳在任何時候都只需要其中壹條作為回家的路。妳不知道這個時候其他路徑會快還是慢。但是，對於量子力學來說，妳可以讓這三條路線同時運行來尋找最短路徑。在到達目的地之前不需要指定自己在哪裏，所以總會選擇最短的路徑。
光合作用並不是自然界中量子效應的唯壹例子。事實上，科學家們多年前就知道，在許多酶催化的反應中，光子通過量子力學隧道效應從壹個分子移動到另壹個分子。在經典力學中，分子運動可以理解為粒子在壹個勢能面上漫遊，能量壘被視為這個勢能面上隔離化合物的“山口”。根據經典力學，當動能小於勢壘高度時，粒子是不可能穿越勢壘的。但是在量子力學中，微觀粒子仍然有壹定的概率以壹定的速度穿越勢壘，這就是所謂的量子力學隧穿效應。
還有壹個有爭議的嗅覺理論認為，氣味源於分子振動的生化誘導，這涉及負責氣味的分子與鼻子中的受體之間的電子隧道效應。
但是，這樣的例子是否具有普遍性，足以證明壹個全新原理的正確性呢？與弗萊明壹起進行綠硫細菌實驗的聖路易斯華盛頓大學生物化學家羅伯特·b·蘭克希普(Robert B. Rankenship)承認，他有點懷疑。他說:“我認為可能有幾種情況，量子效應確實非常重要，但有許多生物系統不使用這樣的量子效應，如果不是大多數的話。”然而，斯科爾斯認為，如果量子生物學的定義更廣泛，還有其他樂觀的證據。他說:“我真的認為，在生物學領域還有很多其他利用量子效應的例子。了解這些例子所涉及的量子力學，將有助於我們更深入地理解量子力學的工作機制。”
量子輔助磁感應使鳥類能夠確定自己的方向。
另壹個可以用量子效應解釋的長期存在的生物學難題是，壹些鳥類如何通過感知地球磁場來確定自己的方向。
科學家通過實驗證實，鳥的磁場傳感器是由入射到鳥視網膜上的光線激活的。目前，研究人員對這壹機制的最佳猜測是，每個入射光子沈積的能量會產生壹對自由基——高活性分子。每個自由基都有壹個不成對電子，每個不成對電子都有壹個內部角動量——自旋，這個自旋的方向可以通過磁場重新定位。隨著自由基的分離，壹個自由基上的不成對電子主要受原子核附近磁場的影響，然而，另壹個自由基上的不成對電子會遠離原子核，只感受到地球磁場。磁場的不同改變了兩個具有不同化學反應能力的量子態之間的自由基對。
劍橋大學物理學家西蒙·本傑明(Simon Benjamin)說:“有壹種觀點認為，當系統處於壹種狀態而不是另壹種狀態時，鳥類的視網膜細胞中合成了壹種化學物質，其濃度反映了地球磁場的方向。2008年，科學家進行了壹次人工光化學反應，其中磁場影響了自由基的壽命，從而證明了這壹想法的合理性。”
本傑明和他的同事認為，吸收單個光子產生的兩個不成對電子以量子糾纏態存在，這是量子相幹的壹種形式。在量子糾纏態中，無論自由基移動多遠，壹個自旋方向都與另壹個自旋方向密切相關。量子糾纏在室溫下通常非常脆弱，但科學家推測它在鳥的羅盤中至少可以持續幾十微秒，這比任何人造分子系統都要長。
這種量子輔助的磁感應可能很普遍。不僅鳥類，壹些昆蟲甚至植物都對磁場表現出生理反應。例如，磁場也可能利用與自由基機制相同方式出現的磁場來減輕藍光對開花植物擬南芥生長的抑制作用。本傑明說，實驗也證實了這壹點:“我們需要了解這壹過程中涉及哪些基本分子，然後在實驗室中進行研究。”
量子力學在生物學中應用廣泛。
光合作用中的量子相幹性似乎大大有利於使用它的生物，但它們使用量子效應的能力能通過自然選擇進化嗎？還是說量子相幹只是某些分子以某種方式構造時的偶然副作用？斯科爾斯說:“關於進化有很多疑惑和誤解。”他認為這些答案不可靠:“我們不能說光合作用中的這種效應是否是選擇的結果。我們不能說是否存在壹種不使用相幹性來移動電子能量的選擇。現有的數據無法解決這個問題。”
他指出，自然選擇支持壹致性不是自然的。“幾乎所有光合生物壹天的大部分時間都在捕捉光線，很少限制光線。那麽為什麽會有進化壓力削弱光收獲的效率呢？”弗萊明同意這種說法。他懷疑量子相幹不是自適應的，而是優化吸收的太陽能的密集載流子包的副產品。Scholes希望通過比較從不同時期進化的藻類中分離出的觸角蛋白來澄清這個問題。
弗萊明說，雖然生物系統中的量子相幹也是壹種機會效應，但它的影響是巨大的，使系統對能量分布不平衡不那麽敏感。他說:“更重要的是，量子相幹使得像整流器壹樣向壹個方向轉移能量成為可能，從而產生最快的能量轉移速率，並且對溫度不再那麽敏感。”
這些效果表明它有實際用途。斯科爾斯說，也許，最明顯的是，更好地理解生物系統如何在周圍環境中獲得量子相幹性，將改變我們設計光捕獲結構的方式；科學家也有可能開發出能量轉換效率更高的太陽能電池。塞思·勞埃德認為這種期望非常合理；而且，其對環境噪聲的積極作用的發現將被用於構建壹個光子系統，該系統使用量子點(納米級晶體)或具有許多光吸收化合物的聚合物，可用作人工天線陣列。
另壹個潛在的應用領域是量子計算，在量子計算領域努力的物理學家和工程師的目標壹直是操縱量子比特編碼的信息。量子比特可以同時以兩種狀態存在，因此可以同時計算所有的可能性。原則上，這將使量子計算機能夠比現有計算機更快地找到最佳解決方案。唯壹需要的是量子比特能夠保持相幹性，沒有環境噪音破壞波的同步性。
然而，無論如何，生物學解決了這個挑戰:事實上，量子相幹使光學系統能夠進行“最有效路徑”的量子計算。本傑明的主要興趣是為量子計算和信息技術設計材料系統。他將這種可以在室溫下工作的鳥類羅盤視為壹種潛在的導航系統。他說:“弄清楚鳥的指南針如何保護自己免受幹擾，將為我們提供壹些與制造量子計算機相關的線索。”以自然為師是人類優秀而古老的傳統，但至今沒有人認真思考過，自然也可以教給我們很多與量子相關的知識。