指南针是中国古代的四大发明之一，对文明的发展产生了很大的影响，让航海时代和世界范围的交流成为可能。但在科技高度发达的现代社会，导航和定位都是通过卫星来实现的。然而，对于每年要往返数千公里南北迁徙的候鸟，它们在没有科学技术辅助的情况下，是怎样进行导航的呢？近几十年的科学研究揭示了候鸟导航的关键零件和原理——隐花色素4的自旋单态和自旋三重态对磁场的敏感依赖。地磁场是指地球内部存在的天然磁性现象。
地球可视为一个磁偶极，其中磁南极在地理北极附近，而磁北极在地理南极附近。地磁场的强度大约在25到65微特斯拉，而一个冰箱贴的磁场强度就接近10000微特斯拉，可见地磁场是比较微弱的。过去科学家们很难相信这么微弱的磁场能够对生物反应产生影响。但是近几十年持续不断的研究表明，候鸟可以感应到地磁场，并通过地磁场来进行导航。隐花色素，或者称为CRY蛋白，是一类广泛分布于真核细胞生物的光受体蛋白。
隐花色素最早在植物体内发现，参与了植物一系列需要吸收短波长光的生理活动，后来的研究又在果蝇、小鼠、鸟类、甚至人体中发现了这种蛋白质。在动物体内，隐花色素主要集中在视网膜上，参与了生物的一系列光调控反应。2000年，美国伊利诺伊大学的克劳斯·舒特恩教授提出了一个新的非常吸引人的理论——鸟类利用隐花色素感应地磁场的方向。
隐花色素的内部结合了一个FAD分子，这个分子是CRY蛋白感光的重要原因，被称为隐花色素的“心脏”。FAD分子可以在吸收一个光子之后，进入激发态FAD*。随后，与FAD相近的四个色氨酸发生连续的电子转移反应，电子被FAD*吸收形成FAD*-，而色氨酸则形成带正电的TrpH+。FAD*-与TrpH+有两种不同的自旋状态，而这两种自旋状态之间的转换速率依赖于外界磁场。
正是这一特性使得候鸟可以利用隐花色素感应到地磁场的方向。生命体内的反应过程需要量子力学吗？这是长久以来科学家企图弄明白的问题。有一点是确定的：分子的化学反应过程中存在很多量子过程，但是由于反应环境复杂多变，任何量子态都会被迅速的平均化，最终量子过程的影响也会被平均掉。因此，似乎生命的进化和繁衍的过程不需要量子力学来运作：生命是经典的。
但是经过半个世纪左右的时间，从假设提出到实验验证，科学家们终于找充分的证据表明候鸟对地磁场的感应是一个基于量子力学的生化过程。让我们从量子力学的角度来看一下候鸟的“指南针”。首先你需要知道自旋的概念。自旋这一概念最早是通过一系列实验建立起来的，例如著名的“斯特恩-盖拉赫”实验。实验结果显示，电子应该具有一种可以与磁场相互作用的内禀角动量，因其性质与经典角动量相似，所以取名为“自旋”。
但是这并不意味着电子真的在旋转，我们无法从经典的角度来理解自旋。目前的理论和实验都没有发现电子的半径下限，因此电子是被当作点粒子来对待的。自旋的取值是量子化的——只能取整数或者半整数，自旋是一个矢量，当我们沿某一个方向测量这个矢量的投影时，测量值也是量子化的。
根据泡利不相容原理，两个电子不能处在同一个状态上，因此原子核周围的电子一般都是成对分布的，一个原子轨道上可以容纳两个电子，一个自旋向上，一个自旋向下。这两个电子的自旋取向不能相同，处在一种关联的状态，也就是我们通常所说的量子纠缠态。我们前面提到，FAD在受到光照之后，会从色氨酸上夺取一个电子形成FAD*-,而原来的色氨酸则会形成TrpH+。
FAD夺过来的电子本来在TrpH中是与另一个电子成对存在的，被夺过来之后，这两个电子在短时间内依然处于纠缠态！但是由于两个电子已经不在同一个轨道上了，不会受到泡利不相容原理的限制，其自旋取向可以相同也可以相反。自旋取向相反，就构成了自旋单态，自旋取向相同则构成自旋三重态。也就是说，FAD*-与TrpH+处于自旋单态或者自旋三重态，这两种状态之间的转换速率会受到磁场的影响。
这样，在不同的磁场下，产物AB与产物C的比例是不一样的，最终这种不一样转化为鸟儿视网膜上不同区域的视觉图像的差别，因此在候鸟看来，不同的方向具有不同的条纹。我们可以说，候鸟直接看到了地磁场！候鸟视网膜上的隐花色素，就是引导候鸟每年南北往返而不会迷路的量子罗盘！