論文の概要: Spectral Bath Engineering for Quantum-Enhanced Agrivoltaics: Advancing Efficiency and Environmental Sustainability via Non-Markovian Dynamics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.04097v1
- Date: Wed, 04 Mar 2026 14:09:17 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-05 21:29:15.338544
- Title: Spectral Bath Engineering for Quantum-Enhanced Agrivoltaics: Advancing Efficiency and Environmental Sustainability via Non-Markovian Dynamics
- Title（参考訳）: 量子増幅器のための分光浴工学:非マルコフダイナミクスによる効率と環境サステナビリティの向上
- Authors: Steve Cabrel Teguia Kouam, Theodore Goumai Vedekoi, Jean-Pierre Tchapet Njafa, Jean-Pierre Nguenang, Serge Guy Nana Engo,
- Abstract要約: 太陽光発電システムは、土地利用最適化のための重要なソリューションとして現れています。
現在の設計では、入射光を古典的な光子フラックスとして扱っており、光合成エネルギー伝達の量子力学的性質を見越している。
生体光ハーベスティングにおける非マルコフ量子コヒーレンスを利用するための分光浴工学を導入する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.26097841018267615
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: As global demand for food and clean energy intensifies, agrivoltaic systems have emerged as a vital solution for land-use optimization. However, current designs overwhelmingly treat incident light as a classical photon flux, overlooking the quantum mechanical nature of photosynthetic energy transfer. We introduce spectral bath engineering-the strategic spectral filtering of sunlight through semi-transparent organic photovoltaic (OPV) panels to exploit non-Markovian quantum coherence in biological light-harvesting. Using Process Tensor HOPS (PT-HOPS) and Spectrally Bundled Dissipators (SBD) to simulate the Fenna-Matthews-Olson complex, we demonstrate that selective filtering at vibronic resonance wavelengths (750nm and 820nm) enhances the electron transport rate (ETR) by 25% relative to standard Markovian models. This quantum advantage is driven by vibronic resonance-assisted transport, which extends coherence lifetimes by 20% to 50% and nearly doubles pairwise concurrence (89%). Multi-objective Pareto optimization identifies OPV configurations reaching 18.8% power conversion efficiency while sustaining an 80.5% system ETR, potentially generating an additional USD 470 to 3000 $ha^{-1}$$yr^{-1}$ in revenue. Environmental simulations across nine climate zones, including sub-Saharan Africa, confirm persistent ETR enhancements of 18% to 24%. Finally, eco-design analysis using quantum reactivity descriptors ensures that these technological gains are achieved using sustainable, biodegradable materials. By bridging quantum biology and renewable energy engineering, this work provides a quantitative blueprint for next-generation agrivoltaic materials that co-optimize agricultural productivity and energy yield.
- Abstract（参考訳）: 食料とクリーンエネルギーの需要が増大するにつれて、土地利用最適化のための重要なソリューションとして、農業システムが現れている。
しかし、現在の設計では、入射光を古典的な光子フラックスとして扱い、光合成エネルギー伝達の量子力学的性質を見渡せるようにしている。
生体光ハーベスティングにおける非マルコフ量子コヒーレンスを利用するため,半透明有機太陽電池パネルによる太陽光の戦略的スペクトルフィルタリングを導入する。
プロセステンソルHOPS (PT-HOPS) とスペクトル結合型散逸器 (SBD) を用いて、Fenna-Matthews-Olson錯体をシミュレートし、ビブロニック共鳴波長 (750nm, 820nm) での選択的フィルタリングにより、標準マルコフモデルと比較して電子輸送率 (ETR) が25%向上することを示した。
この量子優位性は、コヒーレンス寿命を20%から50%まで延長し、対のコンカレンス(89%)をほぼ倍増させる、ビブロニック共鳴補助輸送によって駆動される。
マルチオブジェクトのPareto最適化では、OPVの構成が80.5%のETRを維持しながら18.8%の電力変換効率に到達し、さらにUSD 470から3000$ha^{-1}$$yr^{-1}の収益を生み出す可能性がある。
サハラ以南のアフリカを含む9つの気候圏の環境シミュレーションでは、持続的なETRの18%から24%の上昇が確認されている。
最後に、量子反応性記述子を用いたエコデザイン分析により、これらの技術が持続可能な生分解性材料を用いて達成されることが保証される。
この研究は、量子生物学と再生可能エネルギー工学をブリッジすることで、農業の生産性とエネルギー生産を共最適化する次世代の太陽光発電材料に定量的な青写真を提供する。
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