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量子生物学的里程碑:科学家成功观察到生物体中的量子纠缠

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 Connor Feng • 2018-11-07 18:53:05 来源:前瞻网 E693G0

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量子世界是一个非常奇怪的世界。在理论上,和在某种程度的实践中,它的原则要求一个粒子可以同时出现在两个地方——这是一种被称为叠加的矛盾现象——两个粒子可以发生“纠缠”,通过某种未知的机制在任意大的距离上共享信息。

对于量子古怪的属性来说,最著名的例子应该就是薛定谔的猫了,薛定谔的猫是1935年欧文·薛定谔设计的一个思想实验。这位奥地利物理学家设想,一只猫被放在一个装有潜在致命放射性物质的盒子里,那么根据量子力学的奇怪定律,它是如何以既死又活的叠加方式(至少在盒子被打开,盒子里的情况被观察到之前是这样的)存在的呢?

尽管这个概念看起来离我们很遥远,但它已经在量子尺度上被无数次实验验证过。然而,扩大到表面上看起来更简单、更直观的宏观世界的话,事情就不一样了。没有人见过一颗恒星、一颗行星或一只猫处于量子叠加状态或处于量子纠缠状态。但是自从20世纪初量子理论的最初形成以来,科学家们就一直想知道微观世界和宏观世界究竟在哪里分界。量子领域究竟能有多大,它能不能大到足以让其最怪异的方面亲密地、明确地影响到生物?在过去的20年里,量子生物学这个新兴领域一直在寻找这样的问题的答案,他们提出并进行了关于生物体的实验,以探索量子理论的极限。

这些实验已经产生了吸引人但不确定的结果。例如,今年早些时候,研究人员展示了光合作用的过程(生物体利用光来制造食物的过程)可能涉及到一些量子效应。鸟类的导航方式或我们的嗅觉的工作方式也表明量子效应可能以不同寻常的方式在生物体内发生。但这些充其量只是半只脚趾踏进了量子世界。到目前为止,还没有人成功地诱导整个生命体(甚至是单细胞细菌)来展示量子效应,比如量子纠缠或量子叠加状态。

因此,牛津大学的一组科学家发表的一篇新论文现在引起了一些人的关注,因为它宣称细菌与光子(光的粒子)发生了成功的量子纠缠。这项研究由量子物理学家基娅拉•马莱托(Chiara Marletto)主持,并于10月发表在《物理通信杂志》(Journal of Physics Communications)上。该研究分析了谢菲尔德大学(University of Sheffield)的戴维•科尔斯(David Coles)及其同事在2016年进行的一项实验。在那次实验中,Coles和他的同事将几百个光合绿色硫细菌隔离在两个镜子之间,然后逐渐将镜子之间的空隙缩小到几百纳米(还不到人类头发的宽度)。通过在镜子之间反射白光,研究人员希望使细菌内的光合分子与腔体结合或相互作用,本质上这意味着细菌会不断地吸收、发射和重新吸收反射的光子。实验成功了;以这种方式结合的细菌多达六个。

然而,Marletto和她的同事认为这种细菌不仅仅与腔体结合了在一起。在他们的分析中,他们展示了在实验中产生的能量特征可以与细菌的光合系统与腔内的光纠缠一致。从本质上看,某些光子似乎同时在细菌内撞击和缺失光合分子——这是纠缠的标志。她说:“我们的模型表明,这种被记录下来的现象是光和细菌内部一定程度的自由之间纠缠在一起的信号。”

来自牛津大学的特里斯坦·法罗(Tristan Farrow)是这项研究的合著者,他说,这是首次在生物体内观察到这种效应。他说:“如果你愿意这样想的话,这当然对于证明我们正在朝着‘薛定谔的细菌’方向前进来说非常重要。”它还暗示了另一个在自然中出现的量子生物学潜在例子:绿色硫细菌生活在深海中,那里的生命之光的缺乏甚至可能刺激量子力学的生物进化适应以促进光合作用。

然而,对于这种有争议的说法,有许多警告。首当其冲,这个实验中量子纠缠的证据是间接的,取决于人们如何解释光线从腔体包围的细菌中穿过和穿出。Marletto和她的同事也承认,一个没有量子效应的经典模型也可以解释实验结果。但是,光子并不属于经典范畴——它们属于量子范畴。然而,一个更现实的“半经典”模型(用牛顿经典力学解释细菌,用量子力学解释光子)却未能重现科尔斯和他的同事在实验室中观察到的实际结果。这表明量子效应在光和细菌中都起作用。IBM苏黎世研究实验室(IBM Zurich Research Laboratory)的量子计算研究员詹姆斯•伍顿(James Wootton)并没有参与研究,但他表示:“这有点间接,但我认为这是因为他们只是在严格排除可能性,并防止过多地声称发现。”

另一个警告:细菌和光子的能量是一起被测量的,而不是被独立测量的。荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的西蒙•格罗布拉切尔(Simon Groblacher)没有参与这项研究,但他表示“似乎有某种量子效应在起作用,”他说,“但是……通常如果我们演示纠缠的时候,你必须独立地测量这两个数据”来证实它们之间的量子关联是真实的。

尽管存在这些不确定性,但对许多专家来说,量子生物学从理论到现实的转变只是时间的问题,而不是是否的问题。在过去几十年的实验室实验中,生物系统外的分子无论是被单独测量还是共同测量,它们都表现出过量子效应,因此,在细菌内甚至在我们的身体内寻找类似分子的量子效应在理论上来说合乎情理。然而,在人类和其他大型多细胞生物中,这种分子量子效应应该被平均到无足轻重的程度——但它们在小得多的细菌中显示出来的有意义的表现也不会太令人震惊。“就对于(这一发现)有多么令人吃惊来说,我有点困惑,”格罗布拉切说。“但如果你能在真实的生物中展示这一点的话,那固然是令人兴奋的。”

一些研究小组,包括由Groblacher和Farrow领导的研究小组,希望能进一步研究这些想法。Groblacher设计了一项实验,可以把一种叫做缓步动物的小型水生动物置在一个叠加状态中,由于缓步动物有百倍大的体积,这个提议实验比使细菌和光产生量子纠缠要困难得多。Farrow正在寻找改进细菌实验的方法;明年,他和他的同事们希望可以令两个细菌产生量子纠缠,而不是只与光产生量子纠缠。“长期的目标才是基础和基本的,”Farrow说。“这关乎到理解现实的本质,以及量子效应在生物功能上是否存在效用,从根本上说,一切都是量子的,”他补充道,表达出了对量子效应在生物体中作用的疑问。

很有可能,“自然选择已经为生命系统提供了自然利用量子现象的方法”,Marletto指出,例如前面提到的细菌在缺乏光的深海中进行光合作用的例子。但要弄清事情的真相,则需要从小处着手。这项研究一直在稳步地向宏观实验靠拢,最近的一项实验成功地使数百万个原子纠缠在一起。能够证明构成生物的分子具有有意义的量子效应——即使只是为了微不足道的目的——都将会是关键的下一步。通过探索这个量子力学和经典力学的边界,科学家们可以更接近于理解宏观量子意味着什么,如果确实存在宏观量子的话。

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