水熊蟲成為首個(gè)實(shí)現(xiàn)量子糾纏的動(dòng)物

一直以來，將生物系統(tǒng)和量子系統(tǒng)一起討論都不是一件容易的事，因?yàn)樗鼈兯枰乃坪跏乔『孟喾吹臈l件。生命是復(fù)雜的，“又熱又濕”；而量子物體又小又冷，需要被精準(zhǔn)控制。然而在一項(xiàng)新的研究中，一個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用緩步動(dòng)物（tardigrade），也就是水熊蟲，進(jìn)行了一項(xiàng)量子糾纏實(shí)驗(yàn)。

有著地表最強(qiáng)生物稱號(hào)的水熊蟲是一種微小的多細(xì)胞生物。2019年，當(dāng)這些神奇的微小生物曾意外地墜落在月球上時(shí)，還引發(fā)了人們對(duì)月球表面可能因此遭到污染的擔(dān)憂。在地球上的實(shí)驗(yàn)室里，它們也已經(jīng)“參與”了多項(xiàng)科學(xué)研究，比如它們?cè)惺苓^超高速的子彈撞擊，也曾沐浴在滾燙的熱水中，暴露在強(qiáng)烈的紫外線輻射下，生存在真空環(huán)境中……

所有的這些極端條件，都是為了測(cè)試它們的一種被稱為“tun”狀態(tài)，這種狀態(tài)是水熊蟲的一種極限生存機(jī)制。在這種狀態(tài)下，它們會(huì)蜷縮成萎縮脫水的球狀，新陳代謝水平可降低到正常情況的0.1%，無限期地暫停它們的生物功能。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)將他們的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)發(fā)布到了預(yù)印網(wǎng)站arXiv上。在新論文中，他們稱實(shí)驗(yàn)表明，水熊蟲可以實(shí)現(xiàn)臨時(shí)的量子糾纏。如果這一研究最終能通過同行評(píng)議，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)將證實(shí)水熊蟲是首個(gè)糾纏的活體動(dòng)物。

量子糾纏是量子力學(xué)中的一種奇異現(xiàn)象，它通常發(fā)生在亞原子粒子尺度上。處于糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子會(huì)以某種方式神秘地“連接”在一起，當(dāng)一個(gè)粒子的屬性發(fā)生變化，另一個(gè)粒子也會(huì)以同樣的方式瞬間發(fā)生變化，即使它們一個(gè)位于地球，另一個(gè)身處遙遠(yuǎn)的銀河系之外，這種聯(lián)系仍然可以存在。愛因斯坦曾對(duì)這種現(xiàn)象表示懷疑，并稱之為“鬼魅般的超距作用”。

不過，這種效應(yīng)其實(shí)是可以超越亞原子粒子領(lǐng)域的。在一篇于2018年發(fā)表在《物理通訊雜志》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)就表明某種光和細(xì)菌能夠與光子糾纏在一起。那么，作為一種多細(xì)胞生物的水熊蟲，是否也能發(fā)展出這種奇異的關(guān)聯(lián)呢？

在新的研究中，研究人員團(tuán)隊(duì)從丹麥的一個(gè)屋頂排水溝處采集了三只水熊蟲，它們?cè)趧?dòng)態(tài)狀態(tài)下的大小為0.2到0.34毫米之間，但是當(dāng)研究人員將它們冷凍，使它們進(jìn)入“tun”狀態(tài)后，其尺寸縮小到了原來的1/3左右。接著，研究人員更進(jìn)一步地凍結(jié)了這幾只水熊蟲，將它們冷卻到非常接近絕對(duì)零度的溫度（10mK），并將它們置于非常低的壓強(qiáng)下。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員將處于“tun”狀態(tài)的水熊蟲放在一個(gè)超導(dǎo)體電路的兩個(gè)電容板之間，這種超導(dǎo)體電路可以形成一種量子比特。如下圖中所示的那樣，量子比特B與它附近的量子比特A是通過一個(gè)電容器耦合在一起的。當(dāng)水熊蟲接觸到量子比特B時(shí)，它會(huì)改變量子比特B的共振頻率。然后，水熊蟲與量子比特B的結(jié)合整體，就會(huì)被耦合到量子比特A上，使這兩個(gè)系統(tǒng)相互糾纏。

兩個(gè)量子比特的電路圖和水熊蟲（T）。| 圖片參考：K.S.Lee et. al. / arXiv

在幾次測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)，量子比特和水熊蟲的頻率都是串聯(lián)變化的，就像是一個(gè)由三部分組成的糾纏系統(tǒng)。

在三只水熊蟲進(jìn)入“tun”狀態(tài)的420小時(shí)（17.5天）后，研究人員對(duì)它們進(jìn)行了溫和的加熱，試圖讓它們復(fù)蘇。結(jié)果是有一只水熊蟲恢復(fù)了它的活躍狀態(tài)，另外兩只則死去。研究人員認(rèn)為，這只唯一的水熊蟲幸存者，是歷史上首個(gè)量子糾纏動(dòng)物。

這一結(jié)果聽起來無疑是令人興奮的。然而，這篇尚未經(jīng)過同行評(píng)議的新研究一經(jīng)發(fā)布，便收到了科學(xué)界的許多批評(píng)和質(zhì)疑聲。其中一種主要的爭(zhēng)議就在于，實(shí)驗(yàn)中所觀察到的耦合，無論在有或沒有糾纏的情況下都可以被觀測(cè)到。

支持這種說法的物理學(xué)家認(rèn)為，在一個(gè)量子比特上放置一個(gè)水熊蟲的確可能會(huì)改變這個(gè)量子比特的頻率，但這與兩個(gè)糾纏在一起是不同的。實(shí)驗(yàn)所做到的只是把一個(gè)水熊蟲放在了兩個(gè)耦合量子比特中的一個(gè)的電容部分上，這時(shí)的水熊蟲基本上就是凍結(jié)的水而已，它在實(shí)驗(yàn)中就像是一個(gè)電介質(zhì)，改變了它所在的一個(gè)量子比特的共振頻率，稱不上糾纏。無論是把水熊蟲放在這個(gè)由電路組成的量子比特旁邊，還是把一粒塵埃放在它旁邊，都可以產(chǎn)生類似的效果。簡(jiǎn)而言之，批評(píng)者認(rèn)為將水熊蟲與一對(duì)量子比特糾纏在一起的說法是完全錯(cuò)誤的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)從任何意義上說，都沒有讓水熊蟲與量子比特糾纏在一起。

水熊蟲究竟是不是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了糾纏的活體動(dòng)物，或許還有待科學(xué)家的進(jìn)一步探討。從另一個(gè)角度來看，無論這些水熊蟲是否經(jīng)歷了“鬼魅般的超距作用”，在被冷卻到10mK后仍然復(fù)蘇的水熊蟲向我們展示了，它們比我們之前認(rèn)為的更耐久，即便它們不是“量子的”，也已經(jīng)足夠神奇。

文：小雨

參考來源：

https://www.livescience.com/tardigrade-quantum-entangled-experiment

https://arxiv.org/pdf/2112.07978.pdf

https://www.cnet.com/news/no-tardigrades-have-not-been-quantum-entangled-with-a-qubit/

首圖來源：Mangadark / deviantart