Recent evidence suggests that quantum effects may have functional importance in biological light-harvesting systems. Along with delocalized electronic excitations, it is now suspected that quantum coherent interactions with certain near-resonant vibrations may contribute to light-harvesting performance. However, the actual quantum advantage offered by such coherent vibrational interactions has not yet been established. We investigate a quantum design principle, whereby coherent exchange of single energy quanta between electronic and vibrational degrees of freedom can enhance a light-harvesting system’s power above what is possible by thermal mechanisms alone. We present a prototype quantum heat engine which cleanly illustrates this quantum design principle and quantifies its quantum advantage using thermodynamic measures of performance. We also demonstrate the principle’s relevance in parameter regimes connected to natural light-harvesting structures.

1.
T.
Brixner
,
J.
Stenger
,
H. M.
Vaswani
,
M.
Cho
,
R. E.
Blankenship
, and
G. R.
Fleming
,
Nature
434
,
625
(
2005
).
2.
G. S.
Engel
,
T. R.
Calhoun
,
E. L.
Read
,
T.-K.
Ahn
,
T.
Mančal
,
Y.-C.
Cheng
,
R. E.
Blankenship
, and
G. R.
Fleming
,
Nature
446
,
782
(
2007
).
3.
T. R.
Calhoun
,
N. S.
Ginsberg
,
G. S.
Schlau-Cohen
,
Y.-C.
Cheng
,
M.
Ballottari
,
R.
Bassi
, and
G. R.
Fleming
,
J. Phys. Chem. B
113
,
16291
(
2009
).
4.
E.
Collini
,
C. Y.
Wong
,
K. E.
Wilk
,
P. M. G.
Curmi
,
P.
Brumer
, and
G. D.
Scholes
,
Nature
463
,
644
(
2010
).
5.
G.
Panitchayangkoon
,
D.
Hayes
,
K. A.
Fransted
,
J. R.
Caram
,
E.
Harel
,
J.
Wen
,
R. E.
Blankenship
, and
G. S.
Engel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
,
12766
(
2010
).
6.
E.
Harel
and
G. S.
Engel
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
706
(
2012
).
7.
E.
Romero
,
R.
Augulis
,
V. I.
Novoderezhkin
,
M.
Ferretti
,
J.
Thieme
,
D.
Zigmantas
, and
R.
van Grondelle
,
Nat. Phys.
10
,
676
(
2014
).
8.
F. D.
Fuller
,
J.
Pan
,
A.
Gelzinis
,
V.
Butkus
,
S. S.
Senlik
,
D. E.
Wilcox
,
C. F.
Yocum
,
L.
Valkunas
,
D.
Abramavicius
, and
J. P.
Ogilvie
,
Nat. Chem.
6
,
706
(
2014
).
9.
M. B.
Plenio
and
S. F.
Huelga
,
New J. Phys.
10
,
113019
(
2008
).
10.
M.
Mohseni
,
P.
Rebentrost
,
S.
Lloyd
, and
A.
Aspuru-Guzik
,
J. Chem. Phys.
129
,
174106
(
2008
).
11.
F.
Caruso
,
A. W.
Chin
,
A.
Datta
,
S. F.
Huelga
, and
M. B.
Plenio
,
J. Chem. Phys.
131
,
105106
(
2009
).
12.
A.
Ishizaki
and
G. R.
Fleming
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
17255
(
2009
).
13.
A. W.
Chin
,
A.
Datta
,
F.
Caruso
,
S. F.
Huelga
, and
M. B.
Plenio
,
New J. Phys.
12
,
065002
(
2010
).
14.
M.
del Rey
,
A. W.
Chin
,
S. F.
Huelga
, and
M. B.
Plenio
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
903
(
2013
).
15.
S. F.
Huelga
and
M. B.
Plenio
,
Contemp. Phys.
54
,
181
(
2013
).
16.
G. D.
Scholes
,
G. R.
Fleming
,
A.
Olaya-Castro
, and
R.
van Grondelle
,
Nat. Chem.
3
,
763
(
2011
).
17.
M. O.
Scully
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
207701
(
2010
).
18.
M. O.
Scully
,
K. R.
Chapin
,
K. E.
Dorfman
,
M. B.
Kim
, and
A.
Svidzinsky
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
15097
(
2011
).
19.
C.
Creatore
,
M. A.
Parker
,
S.
Emmott
, and
A. W.
Chin
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
253601
(
2013
).
20.
Y.
Zhang
,
S.
Oh
,
F. H.
Alharbi
,
G.
Engel
, and
S.
Kais
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
5743
5750
(
2015
).
21.
S.
Ajisaka
,
B.
Zunkovic
, and
Y.
Dubi
,
Sci. Rep.
5
,
8312
(
2015
).
22.
J. M.
Womick
and
A. M.
Moran
,
J. Phys. Chem. B
115
,
1347
(
2011
).
23.
F.
Caycedo-Soler
,
A. W.
Chin
,
J.
Almeida
,
S. F.
Huelga
, and
M. B.
Plenio
,
J. Chem. Phys.
136
,
155102
(
2012
).
24.
A. W.
Chin
,
S. F.
Huelga
, and
M. B.
Plenio
,
Philos. Trans. R. Soc., A
370
,
3638
(
2012
).
25.
N.
Christensson
,
H. F.
Kauffmann
,
T.
Pullerits
, and
T.
Mančal
,
J. Phys. Chem. B
116
,
7449
(
2012
).
26.
A. W.
Chin
,
J.
Prior
,
R.
Rosenbach
,
F.
Caycedo-Soler
,
S. F.
Huelga
, and
M. B.
Plenio
,
Nat. Phys.
9
,
113
(
2013
).
27.
M. B.
Plenio
,
J.
Almeida
, and
S. F.
Huelga
,
J. Chem. Phys.
139
,
235102
(
2013
).
28.
A.
Kolli
,
E. J.
O’Reilly
,
G. D.
Scholes
, and
A.
Olaya-Castro
,
J. Chem. Phys.
137
,
174109
(
2012
).
29.
V.
Tiwari
,
W. K.
Peters
, and
D. M.
Jonas
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
1203
(
2013
).
30.
A.
Chenu
,
N.
Christensson
,
H. F.
Kauffmann
, and
T.
Mančal
,
Sci. Rep.
3
,
2029
(
2013
).
31.
H.
Hossein-Nejad
,
A.
Olaya-Castro
, and
G. D.
Scholes
,
J. Chem. Phys.
136
,
024112
(
2012
).
32.
L.
Mourokh
and
F.
Nori
, preprint arXiv:1402.7031 (
2014
).
33.
E. K.
Irish
,
R.
Gómez-Bombarelli
, and
B. W.
Lovett
,
Phys. Rev. A
90
,
012510
(
2014
).
34.
J.
Lim
,
M.
Tame
,
K. H.
Yee
,
J.-S.
Lee
, and
J.
Lee
,
New J. Phys.
16
,
053018
(
2014
).
35.
E. J.
O’Reilly
and
A.
Olaya-Castro
,
Nat. Commun.
5
,
3012
(
2014
).
36.
H. E. D.
Scovil
and
E. O.
Schulz-DuBois
,
Phys. Rev. Lett.
2
,
262
(
1959
).
37.
W.
Shockley
and
H. J.
Queisser
,
J. Appl. Phys.
32
,
510
(
1961
).
38.
R.
Alicki
,
J. Phys. A: Math. Gen.
12
,
L103
(
1979
).
39.
F.
Caruso
,
A. W.
Chin
,
A.
Datta
,
S. F.
Huelga
, and
M. B.
Plenio
,
Phys. Rev. A
81
,
062346
(
2010
).
40.
F.
Fassioli
,
R.
Dinshaw
,
P. C.
Arpin
, and
G. D.
Scholes
,
J. R. Soc., Interface
11
,
20130901
(
2014
).
41.
G.
Lindblad
,
Commun. Math. Phys.
48
,
119
(
1976
).
42.
V.
Gorini
,
A.
Kossakowski
, and
E. C. G.
Sudarshan
,
J. Math. Phys.
17
,
821
(
1976
).
43.
Á.
Rivas
and
S. F.
Huelga
,
Open Quantum Systems: An Introduction
(
Springer
,
2011
).
44.
M. O.
Scully
,
M. S.
Zubairy
,
G. S.
Agarwal
, and
H.
Walther
,
Science
299
,
862
(
2003
).
45.
K. E.
Dorfman
,
D. V.
Voronine
,
S.
Mukamel
, and
M. O.
Scully
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
2746
(
2013
).
46.
E. J.
O’Reilly
and
A.
Olaya-Castro
, private communication (
2014
).
47.
T.
Mirkovic
,
A. B.
Doust
,
J.
Kim
,
K. E.
Wilk
,
C.
Curutchet
,
B.
Mennucci
,
R.
Cammi
,
P. M.
Curmi
, and
G. D.
Scholes
,
Photochem. Photobiol. Sci.
6
,
964
(
2007
).
48.
L. A.
Pachón
and
P.
Brumer
,
J. Phys. Chem. Lett.
2
,
2728
(
2011
).
49.
D. B.
Turner
,
R.
Dinshaw
,
K.-K.
Lee
,
M.
Belsley
,
K. E.
Wilk
,
P. M.
Curmi
, and
G.
Scholes
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
4857
(
2012
).
50.
G. H.
Richards
,
K. E.
Wilk
,
P. M.
Curmi
, and
J. A.
Davis
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
43
(
2013
).
51.
A.
Marin
,
A. B.
Doust
,
G. D.
Scholes
,
K. E.
Wilk
,
P. M.
Curmi
,
I. H.
van Stokkum
, and
R.
van Grondelle
,
Biophys. J.
101
,
1004
(
2011
).
52.
J.
Johansson
,
P.
Nation
, and
F.
Nori
,
Comput. Phys. Commun.
184
,
1234
(
2013
).
53.
M.
Scala
,
B.
Militello
,
A.
Messina
,
J.
Piilo
, and
S.
Maniscalco
,
Phys. Rev. A
75
,
013811
(
2007
).
54.
M.
Scala
,
B.
Militello
,
A.
Messina
,
S.
Maniscalco
,
J.
Piilo
, and
K.
Suominen
,
J. Phys. A: Math. Theor.
40
,
14527
(
2007
).
55.
B. W.
Shore
and
P. L.
Knight
,
J. Mod. Optics
40
,
1195
(
1993
).
You do not currently have access to this content.