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一直以来,将生物系统和量子系统一起讨论都不是一件容易的事,因为它们所需要的似乎是恰好相反的条件。生命是复杂的,“又热又湿”;而量子物体又小又冷,需要被精准控制。然而在一项新的研究中,一个物理学家团队利用缓步动物(tardigrade),也就是水熊虫,进行了一项量子纠缠实验。有着地表最强生物称号的水熊虫是一种微小的多细胞生物。2019年,当这些神奇的微小生物曾意外地坠落在月球上时,还引发了人们对月球表面可能因此遭到污染的担忧。在地球上的实验室里,它们也已经“参与”了多项科学研究,比如它们曾承受过超高速的子弹撞击,也曾沐浴在滚烫的热水中,暴露在强烈的紫外线辐射下,生存在真空环境中……

水熊虫成为首个实现量子纠缠的动物?所有的这些极端条件,都是为了测试它们的一种被称为“tun”状态,这种状态是水熊虫的一种极限生存机制。在这种状态下,它们会蜷缩成萎缩脱水的球状,新陈代谢水平可降低到正常情况的0.1%,无限期地暂停它们的生物功能。现在,研究人员已经将他们的实验细节发布到了预印网站arXiv上。在新论文中,他们称实验表明,水熊虫可以实现临时的量子纠缠。如果这一研究最终能通过同行评议,那么这个实验将证实水熊虫是首个纠缠的活体动物。

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量子纠缠是量子力学中的一种奇异现象,它通常发生在亚原子粒子尺度上。处于纠缠态的两个粒子会以某种方式神秘地“连接”在一起,当一个粒子的属性发生变化,另一个粒子也会以同样的方式瞬间发生变化,即使它们一个位于地球,另一个身处遥远的银河系之外,这种联系仍然可以存在。爱因斯坦曾对这种现象表示怀疑,并称之为“鬼魅般的超距作用”。

水熊虫成为首个实现量子纠缠的动物?不过,这种效应其实是可以超越亚原子粒子领域的。在一篇于2018年发表在《物理通讯杂志》的研究中,一个研究团队就表明某种光和细菌能够与光子纠缠在一起。那么,作为一种多细胞生物的水熊虫,是否也能发展出这种奇异的关联呢?在新的研究中,研究人员团队从丹麦的一个屋顶排水沟处采集了三只水熊虫,它们在动态状态下的大小为0.2到0.34毫米之间,但是当研究人员将它们冷冻,使它们进入“tun”状态后,其尺寸缩小到了原来的1/3左右。接着,研究人员更进一步地冻结了这几只水熊虫,将它们冷却到非常接近绝对零度的温度(10mK),并将它们置于非常低的压强下。在实验中,研究人员将处于“tun”状态的水熊虫放在一个超导体电路的两个电容板之间,这种超导体电路可以形成一种量子比特。如下图中所示的那样,量子比特B与它附近的量子比特A是通过一个电容器耦合在一起的。当水熊虫接触到量子比特B时,它会改变量子比特B的共振频率。然后,水熊虫与量子比特B的结合整体,就会被耦合到量子比特A上,使这两个系统相互纠缠。

水熊虫成为首个实现量子纠缠的动物?两个量子比特的电路图和水熊虫(T)。| 图片参考:K.S.Lee et. al. / arXiv在几次测试中,研究人员发现,量子比特和水熊虫的频率都是串联变化的,就像是一个由三部分组成的纠缠系统。在三只水熊虫进入“tun”状态的420小时(17.5天)后,研究人员对它们进行了温和的加热,试图让它们复苏。结果是有一只水熊虫恢复了它的活跃状态,另外两只则死去。研究人员认为,这只唯一的水熊虫幸存者,是历史上首个量子纠缠动物。

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这一结果听起来无疑是令人兴奋的。然而,这篇尚未经过同行评议的新研究一经发布,便收到了科学界的许多批评和质疑声。其中一种主要的争议就在于,实验中所观察到的耦合,无论在有或没有纠缠的情况下都可以被观测到。支持这种说法的物理学家认为,在一个量子比特上放置一个水熊虫的确可能会改变这个量子比特的频率,但这与两个纠缠在一起是不同的。

水熊虫成为首个实现量子纠缠的动物?实验所做到的只是把一个水熊虫放在了两个耦合量子比特中的一个的电容部分上,这时的水熊虫基本上就是冻结的水而已,它在实验中就像是一个电介质,改变了它所在的一个量子比特的共振频率,称不上纠缠。无论是把水熊虫放在这个由电路组成的量子比特旁边,还是把一粒尘埃放在它旁边,都可以产生类似的效果。简而言之,批评者认为将水熊虫与一对量子比特纠缠在一起的说法是完全错误的,这个实验从任何意义上说,都没有让水熊虫与量子比特纠缠在一起。水熊虫究竟是不是第一个实现了纠缠的活体动物,或许还有待科学家的进一步探讨。从另一个角度来看,无论这些水熊虫是否经历了“鬼魅般的超距作用”,在被冷却到10mK后仍然复苏的水熊虫向我们展示了,它们比我们之前认为的更耐久,即便它们不是“量子的”,也已经足够神奇。

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