非马尔可夫量子态扩散理论揭示SARS-CoV-2病毒隧穿感染的量子生物学机制

本研究针对传统马尔可夫模型在描述病毒-受体强耦合作用时出现非物理负概率的问题，通过建立非马尔可夫量子态扩散（NMQSD）框架，模拟SARS-CoV-2刺突蛋白与ACE2受体间的振动辅助电子隧穿过程。研究发现，在中等和强耦合极限下，电子隧穿概率显著提升，且非马尔可夫动力学能有效避免马尔可夫近似导致的非物理结果，为理解病毒感染量子机制及开发靶向干预策略提供新视角。

　　

在生物学与量子物理的交叉领域，传统理论框架对复杂生命过程的解释仍存在显著空白。以嗅觉感知为例，"锁钥模型"难以解释同位素分子的气味差异，而振动辅助电子隧穿理论为此提供了新视角。这种量子生物学现象在酶催化、DNA突变等领域已有验证，但病毒感染的量子机制研究仍属前沿。SARS-CoV-2的全球大流行凸显了理解病毒入侵机制的紧迫性，特别是其刺突蛋白与ACE2受体相互作用的微观动力学。传统马尔可夫模型在强耦合条件下会预测出非物理的负概率，这促使研究人员探索更精确的非马尔可夫量子描述方法。

为解决这一问题，研究人员采用非马尔可夫量子态扩散（NMQSD）方法，构建包含刺突蛋白-ACE2二聚体（模拟为自旋玻色模型）与生物环境相互作用的开放量子系统。通过求解非马尔可夫随机薛定谔方程（SSE），结合洛伦兹型谱密度函数和奥恩斯坦-乌伦贝克噪声模拟，分析不同耦合强度（Δ=0.0001-0.1 eV）下的电子转移概率。研究特别关注836 cm^-1
、1040 cm^-1
和1240 cm^-1
等刺突蛋白特征振动模式的影响。

非马尔可夫量子态扩散
建立包含系统哈密顿量（H_sys
）、Lindblad算符（L）和玻色子浴的NMQSD方程，通过Girsanov变换处理归一化态。关键系数g₀
(t)、g₁
(t)由环境关联函数α(t,s)导出，其温度依赖性通过Bose-Einstein分布体现。

病毒感染的量子模型
将刺突蛋白-ACE2复合物建模为二能级系统（ε_D
-ε_A
=500-1700 cm^-1
），耦合振动模式（ω_i
）和膜环境（γ_iE
=0.005-0.025 eV）。哈密顿量包含受体项（H_R
=εσ_z
/2+Δσ_x
/2）、蛋白质振动项（H_P
=ω(b^?
b+1/2)）及其相互作用（H_R-P
=σ_z
Σω_i
γ_i
(b_i
+b_i
^?
)）。

结果与讨论

1. 耦合强度依赖性：弱耦合（Δ=0.0001 eV）时振动模式影响微弱；当Δ增至0.1 eV，隧穿概率提升50%以上，且ΔP=Max[P_D→A
   (t)]_with
   -Max[P_D→A
   (t)]_without
   呈现显著正值（图2d）。
2. 非马尔可夫特征：时间依赖衰减率κ(t)呈现非指数衰减和负值区间（图6），表明环境记忆效应导致粒子数回流，这是马尔可夫模型无法捕捉的关键现象。
3. 振动模式特异性：1240 cm^-1
   模式在强耦合下（ω_c
   =0.02Δ）引发最显著布居振荡（图4d），对应C-H键伸缩振动的量子相干增强效应。

这项研究首次将非马尔可夫量子动力学应用于病毒侵染机制，证实振动辅助电子隧穿在SARS-CoV-2感染中的重要作用。理论预测与实验可观测的拉曼光谱特征（如836 cm^-1
二硫键振动）高度吻合，为开发基于量子干涉的抗病毒策略（如振动频率靶向抑制剂）奠定基础。研究还提出可通过量子生物电子隧穿（QBET）光谱实时监测刺突蛋白-受体间的电子转移，这为传染病防控提供了跨学科研究范式。