植物利用量子力学以近乎完美的效率收集阳光——尽管最终只有大约 2% 的捕获阳光转化为化学能储存起来。现在，科学家们正在研究自然界是如何优化光合作用的这一光收集步骤的，以便学习如何在工程系统中模仿它，用于太阳能电池或人工树叶，这些人工树叶直接从太阳产生燃料。
植物依靠发色团（能够吸收特定波长的可见光并反射其他波长的分子）来从太阳中获取能量。当阳光照射到植物时，最顶层发色团中的电子会吸收来自入射光子的能量，然后将能量从新激活的分子转移到另一个能量状态较低的分子。这种转移通过分子链重复进行，这是一个快速能量传递的级联过程，最终将电子从链中的最后一个发色团中分离出来，从而提供植物以碳水化合物形式储存的能量。
通过这种方式，发色团执行三个功能：它们从阳光中吸收能量（充当“受体”）；它们捐赠吸收的能量（充当“供体”）；以及它们将能量转移到另一个分子（充当“桥梁”）。利用其他研究人员对发色团吸收和发射的光子强度的测量结果，麻省理工学院的化学家曹健书及其同事开发了一个计算机模型，以得出受体、供体和桥梁的比例，从而优化光合作用中光收集步骤的效率。
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研究结果：为了在仅具有这两种发色团功能的天然光合作用系统中有效地转移能量，每个受体有 10 个供体的最佳比例。曹健书说，在供体和受体的排列中添加桥梁可以进一步提高能量转移的效率。
发色团在植物细胞中成束排列，这些结构和配置也会影响光收集效率。加州大学伯克利分校的化学家马特·弗朗西斯通过将发色团附着到烟草花叶病毒分子上，创建了人工光收集系统。对这些基因工程系统进行建模后，曹健书发现，一种结构（发色团圆盘的堆叠）可以通过组合多个尺寸相似但具有不同桥梁、受体和供体组合的圆盘来调整，从而提高整体效率。根据 10 月 21 日发表在《物理化学杂志 B》上的研究，由桥梁和受体组成的两个圆盘堆叠在完全由供体组成的圆盘之间的特定配置是设计人工光收集设备的良好候选方案。
早期的研究发现，光合作用利用了一种称为量子相干效应的现象。在一项研究中，研究人员发现发色团吸收的能量同时通过多个网络传播，以找到最快的路径。其他研究观察到，量子水平上的“噪声”或随机波动有助于将能量从发色团转移到光合作用的反应中心。在这一研究基础上，曹健书和麻省理工学院的化学家罗伯特·西尔比对绿色硫细菌中的光收集系统进行了建模，发现当系统中存在适量的噪声时，光合作用效率最高。曹健书说：“在实验条件下，人们总是试图减少噪声，但在量子力学系统中，有一些噪声实际上是有用的。”
他举了一个表面摩擦的例子：如果汽车在冰上，没有任何摩擦，它根本不会移动。但如果摩擦力太大，汽车也不会移动。西尔比和曹健书在 10 月份的《新物理学杂志》上写道，在光合作用系统中，适量的随机量子波动（想想：摩擦）有助于将携带能量的电子从一个反应中心转移到下一个反应中心。通过改变模型中随机波动的温度、强度和长度，他们能够优化能量转移。
麻省理工学院和圣塔菲研究所的塞思·劳埃德也研究光合作用中的量子相干性，他说，设计像光合作用光收集步骤中涉及的人工系统需要不同的设计方法。“自然选择正在添加量子设计特征，并将它们调整到足够复杂的地步，以便在不损害鲁棒性的情况下完成工作。” 工程师们经常被建议保持简单，但劳埃德说不要太简单：“你希望拥有尽可能多的旋钮，可以像你要完成的功能一样多地转动。”