Quantum dissipative dynamics of electrons in tailored molecular systems and of excitons in biomolecular systems

In this work, the quantum dissipative dynamics of electrons in tailored molecular systems and of excitons in biomolecular light-harvesting complexes is determined by using the numerically exact quasi-adiabatic propagator path integral scheme. In the first part of the thesis, molecular double quantum dots are designed by using pi-conjugated multi-block copolymers of poly-diacetylene (PDA) and ladder-type poly-(p-phenylene) (l-PPP). A charge qubit results when doping the molecule single negatively forming a polymeric radical anion. By systematically modifying the length of the oligomers, it is possible to restrict the number of confined electronic states to only two. They are described in terms of the spin-boson model, in which the molecular vibrations are formalized as the bosonic bath. The parameters characterizing the system and the vibrational bath are extracted from electronic structure calculations. At room temperature, coherent oscillations in the population difference are found, with values for the coherence times spreading over about two orders of magnitude. Non-Markovian effects contribute to sustain coherences. Controlled transitions between the basis states of the charge qubit, analogous to single qubit gates, are achieved by means of an external field. These systems constitute then a novel implementation for quantum computation hardware able, in principle, to operate at room temperature. In the second part, the excitation energy transfer dynamics of the chlorophyll-containing Fenna-Matthews-Olson (FMO) complex in the green sulfur bacteria \'Chlorobium tepidum\' is evaluated. The aim is to elucidate the origin of the sustained excitonic coherence found experimentally and its significance in the speed and efficiency of the energy transfer dynamics. In this case, the bath is given by the vibrational pigment-protein-solvent environment, which contains localized vibrational modes. The results indicate that the experimental findings cannot be explained by only considering environmental equilibrium fluctuations, but by explicitly considering the nonequilibrium dynamics of the localized vibrational modes. No evidence of non-Markovian effects is found in the exciton dynamics of the FMO complex. Simultaneous sustained coherence and faster energy transfer is found depending on which molecular site the vibrational modes couples to. However, sustained coherence is not functionally necessary for the speed-up of the energy transfer, and consequently, for the increased transfer efficiency, which constitutes a very general mechanism elucidated in this work. An overdamped excitonic dynamics, that exhibits a Markovian behavior, is found in the third part of this work for the bilin-containing phycoerythrin 545 (PE545) complex of the cryptophyte algae \'Rhodomonas CS24\'. In dieser Arbeit wird die dissipative Quantendynamik von Elektronen in masgeschneiderten molekularen Systemen und von Exzitonen in biomolekularen Lichtsammelkomplexen mit Hilfe der numerisch exakten quasi-adiabatischen Pfadintegral-Propagatorfunktion bestimmt. Im ersten Teil der Arbeit werden molekulare Doppel-Quantenpunkte aus Polydiacetylen (PDA) und Leiterpolymere vom Poly(para-phenylen)-Typ (l-PPP) pi-konjugierten Multi-Block-Kopolymeren betrachtet. Eine n-Dotierung des Molekuls mit einem Einzelelektron bildet ein polymeres Radikal-Anion, welches ein Ladungsqubit darstellt. Durch systematische Modifizierung der Lange der Oligomere ist es moglich, die Anzahl der lokalisierten elektronischen Zustande auf nur zwei zu beschranken. Sie werden durch das Spin-Boson-Modell beschrieben, in dem die Molekulschwingungen formal als bosonisches Bad auftreten. Die Parameter des Systems und des Schwingungsbads werden aus Berechnungen der elektronischen Struktur entnommen. Bei Raumtemperatur werden koharente Oszillationen in der Populationsdifferenz gefunden, bei denen sich die Werte fur die Koharenzzeiten uber etwa zwei Grosenordnungen ausbreiten. Nicht-Markovsche-Effekte tragen dazu bei, die koharenten Oszillationen zu erhalten. Kontrollierte Ubergange zwischen den Grundzustanden des Ladungsqubits werden durch ein externes Feld erreicht, die ahnlich zu denen eines einzelnen Qubit-Gatters sind. Diese Systeme bilden dann eine neue Implementierung fur Quantencomputer-Hardware, welche im Prinzip in der Lage ist, bei Raumtemperatur arbeiten. Im zweiten Teil, wird die Exzitonenenergietransfer-Dynamik des chlorophyllhaltigen Fenna-Matthews-Olson-Komplex (FMO) der Grunen Schwefelbakterien \'Chlorobium tepidum\' ausgewertet. Ziel ist es, den Ursprung der experimentell gefundenen anhaltenden exzitonischen Koharenz und sein Einfluss auf die Geschwindigkeit und die Effizienz der Energieubertragungsdynamik aufzuklaren. In diesem Fall wird das Bad durch die Schwingungen der Pigment-Protein-Losungsmittelumgebung gegeben, welches lokalisierte Schwingungsmoden enthalt. Die Ergebnisse zeigen, dass die experimentellen Befunde nicht durch die Berucksichtigung der Gleichgewichtsfluktuationen der Umgebung erklart werden, sondern durch die explizite Berucksichtigung der Nichtgleichgewichtsdynamik der lokalisierten Schwingungsmoden. Es wurde kein Nachweis von Nicht-Markovschen-Effekten in der Exzitonen-Dynamik des FMO-Komplex gefunden. Abhangig davon welches Chromophor an die Schwingungsmoden koppelt, werden gleichzeitig anhaltende Koharenz und schnellerer Energietransfer gesehen. Trotzdem zeigen die Ergebnisse, dass die anhaltende Koharenz fur die Beschleunigung der Energieubertragung und somit fur die erhohte Ubertragungsleistung funktionell nicht notwendig ist. Dies folgt einem sehr allgemeinen Mechanismus, der in dieser Arbeit erlautert wird. Im dritten Teil dieser Arbeit wird eine ubergedampfte exzitonische Dynamik fur den Bilin-haltige Phycoerythrin-545-Komplex (PE545) der Cryptophyceen Algen \'Rhodomonas CS24\' gefunden, der ein Markov-Verhalten zeigt.