通常對光合作用的解釋是，植物吸收陽光、二氧化碳和水，並將它們轉化為糖、氧氣和能量。公式為：

所有這些都發生在植物細胞的葉綠體中，葉綠體包含一層層的類囊體，而類囊體又包含一種叫做葉綠素的色素。

葉綠素是整個過程的起點。這些綠色顏料主要是由碳和氧的長鏈組成，有些區域由氮和碳包圍的鎂原子組成。這種結構導致鎂原子有一個價電子，當一個來自太陽的光子進入葉綠素時，它就會把它擊散。當這種情況發生時，鎂原子的外層由於失去一個帶負電的電子而產生一個帶正電的間隙。這個帶正電的間隙和帶負電的電子可以形成一對激子。激子像電池一樣儲存能量，因為它們有正極和負極。然而，為了釋放這種能量，激子需要轉移到一個可以分裂這對激子的反應中心。一旦這種能量被釋放，它就為光合作用的其餘部分提供動力。

問題是：激子需要隨機地從一個葉綠素移動到另一個葉綠素，才能到達反應中心，就像一隻盲青蛙在睡蓮葉上跳躍。激子到達反應中心的機率只是99%中的一小部分。

量子疊加

量子世界是反直覺的。它的執行規則與日常物體不同，因為量子粒子既表現為粒子又表現為波。在我們的世界裡，書桌上的鉛筆或高速公路上行駛的汽車都只存在於一個地方。在量子世界中，粒子並不存在於特定的位置，直到它們被迫選擇一個位置。在被迫做出選擇之前，它們以機率波的形式存在。

雙縫實驗證明了這一點。想象量子粒子被髮射到有兩個垂直縫隙的屏障上。在這個屏障後面是一堵作為探測器的牆。你認為後牆上會出現什麼圖案？如果量子粒子確實是粒子，那麼圖案將是兩個垂直的條帶，因為一些將與屏障碰撞，而另一些將穿過其中一個狹縫並擊中後壁。然而，事實並非如此。相反，產生了一種干涉圖樣，這隻能意味著它們的行為像波。

一個波峰抵消了另一個波谷，而兩個波峰疊加在一起。這在後牆上產生了明暗交替的圖案。

事情變得更奇怪了。當量子粒子穿過狹縫時被探測到，它們被迫停止以機率波的形式存在，並選擇一個位置。因此，背面壁上的圖案變成了兩條條紋。

此外，當只有一個量子粒子被激發時，結果是相同的。當它沒有被探測到穿過狹縫時，它被允許作為一個機率波存在，它穿過兩個狹縫，干擾自己，並在後牆上產生一個干擾圖案。當它穿過狹縫時被檢測到，它被迫選擇一個位置，只穿過一個狹縫，並只擊中了後牆的一個點。

量子疊加和光合作用

回到激子到達反應中心的問題上，要使激子以99%的效率到達反應中心的唯一方法是它像波一樣運動。如果這是正確的，那麼激子以機率波的形式存在，並同時擴散到所有葉綠體中。

這個想法最初是在20世紀30年代提出的，直到21世紀才被物理學家認真對待。在第一個實驗中，來自加州大學伯克利分校的研究人員用鐳射脈衝在葉綠素中產生激子。在處理完這些資料後，他們發現了激子確實是以波的形式運動的。

然而，在進行了無數其他實驗之後，並不是所有的物理學家都被說服了。他們的首要問題是量子退相干。量子粒子的波動性質很難維持，因為它與幾乎任何東西的相互作用都會迫使它坍縮成一個單獨的粒子。當物理學家測量這種現象時，他們需要在嚴格控制的環境中工作，以保持波的相干狀態，並避免它坍縮成退相干狀態。一株植物很可能無法創造這些條件。

光合作用是否依賴於疊加仍然是一個懸而未決的問題。然而，我們瞭解得越多，就越覺得沒有量子現象，我們認為理所當然的過程就不可能存在。例如，太陽的溫度不夠高，不能產生光，只能透過量子隧穿才能產生光，這也有助於解釋DNA突變和酶的作用。即使鳥類沒有量子糾纏也無法導航。所有這些都只是量子生物學這一新興領域出現的少數例子，所以它可能並不像看上去那麼瘋狂。