有活物要進入量子疊加態了!是薛定諤的——細菌

前不久,清華大學和美國普渡大學的物理學家設計了一個實驗,要把活的生物體置於量子疊加態之中。不,他們沒打算用貓,而是要用小得多的細菌。為什麼要大費周章去如此處置細菌?量子疊加態的生命又有什麼神奇之處?果殼網科學人特邀了這項研究的合作者、清華大學交叉信息研究院量子信息中心助理研究員尹璋琦,請他親自講述薛定諤細菌的來龍去脈。

有活物要進入量子疊加態了!是薛定諤的——細菌

既死又活的薛定諤貓,貓的生死與原子衰變與否糾纏在一起。圖片來源:thelifeofpsi.com

薛定諤的貓

1935年,愛因斯坦提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森(EPR)佯謬,揭示了量子力學的非定域性與我們常識之間的矛盾。然後,他進一步把這個想法推廣,設想了一桶不穩定的炸藥,經過一段時間後,炸藥處於爆炸與不爆炸之間的量子疊加態。他把這個想法告訴薛定諤。受此啟發,薛定諤把宏觀量子疊加態推廣到了生命體,提出了處於死與活量子疊加態的薛定諤的貓。維基百科上有關薛定諤貓態的描述如下:

實驗者甚至可以設置出相當荒謬的案例來。把一只貓關在一個封閉的鐵容器裡面,並且裝置以下儀器 (注意必須保護這儀器不被容器中的貓直接干擾):在一台蓋革計數器內置入極少量放射性物質,在一小時內,這個放射性物質至少有一個原子衰變的概率為50%,沒有任何原子衰變的概率也同樣為50%;假若衰變事件發生了,則蓋革計數管會放電,通過繼電器啟動一個榔頭,榔頭會打破裝有氰化氫的燒瓶。經過一小時以後,假若沒有發生衰變事件,則貓仍舊存活;否則發生衰變,這套機構被觸發,氰化氫揮發,導致貓隨即死亡。用以描述整個事件的波函數竟然表達出了活貓與死貓各半糾合在一起的狀態。

這個思維實驗提出了一個很尖銳的問題,宏觀的量子疊加態何時退化為確定的經典狀態?難道是在打開容器的那一瞬間麼?

自從提出了薛定諤貓態,薛定諤似乎對於把量子力學應用到生物中產生了濃厚的興趣。在1944年,他寫了一本小冊子《生命是什麼?》,詳細分析了為什麼理解生命的本質必須要用量子力學。近期的實驗證明了,量子力學在生命體中確實發揮了重要的作用。比如說光合作用,以及鳥類識別方向等等。從微觀角度來說,生命體就是處於量子態的,量子特性是很多生命過程能夠存在的必要條件。我相信,未來利用量子力學作為工具,將會不斷刷新我們對生命過程的理解和認識。

宏觀疊加態

既然生命內部的生化反應需要量子物理才能理解,那麼生命體本身能處於量子態麼?薛定諤貓真的能存在麼?這種處於量子疊加態的宏觀生命體,挑戰了我們的常識,也激發了一代代物理學家研究的靈感,並且引發了哲學上的很多思辨和爭議,比如說所謂的多世界理論。後來人們進一步假設生命體自身有意識,能夠觀察自身,那麼處於薛定諤貓態的生命體,是否就能通過觀察讓自身而處於生的狀態呢?作為物理學家,我們不願意深陷哲學思辨的漩渦中,而要用紮實的實驗來說話。最近的20年,這方面的研究進展非常巨大。

有活物要進入量子疊加態了!是薛定諤的——細菌

正在觀察自己死活的薛定諤貓。插圖作者:趙斌

1996年,美國國家標準局戴維·瓦恩蘭(David Wineland)的研究組用單原子離子制備出了離子的位置與內部自旋之間的量子糾纏態,也就是薛定諤貓態。瓦恩蘭在2012年獲得了諾貝爾物理學獎,這項工作也是他拿獎的重要貢獻之一。

1999年奧地利的安東·蔡林格(Anton Zeilinger)研究組用碳60分子做到了雙縫干涉實驗,看到了與電子雙縫干涉類似的明暗相間的條紋。最近,包含有幾百個原子的複雜大分子,也被用來做到雙縫干涉實驗。

最近十年,對光力學的研究,使得人們能夠把更大的物理系統冷卻到量子基態,並制備其量子疊加態。比如說2011年,美國國家標準局的科學家就用超導電路系統,把一個直徑15微米,厚度100奈米的鋁薄膜機械振子冷卻到了量子基態。

雖然能夠做到量子疊加態和量子干涉的物理系統越來越大,可是距離薛定諤原始的設想卻並沒有靠近多少,因為這些系統都是無生命的。我們能在有生命的物理系統中做出宏觀量子疊加態麼?看起來是不可能的。可是這個瘋狂的想法還是有人嘗試過。2010年,德國馬普研究所的科學家提出在真空中用光抓住病毒,然後把病毒的質心運動冷卻到量子基態,就可以用來制備出病毒的宏觀量子疊加態了。

在馬普研究所的科學家發表他們理論方案的一年前,美國得克薩斯大學奧斯丁分校的李統藏等人已經開始在實驗上研究,如何在真空中用光抓住微米尺度的玻璃球,並冷卻它的運動。在馬普所的理論文章發表後幾個月,李統藏的實驗文章也在《科學》上發表。從那時起,他一直致力於在實驗上制備宏觀系統的量子疊加態。作為他的合作者,我與他一起合寫了一系列相關的理論論文。比如,我們2013年提出,在真空中用光束縛的奈米金剛石來制備宏觀薛定諤貓態。

雖然這個方向進展很快,可是要把奈米粒子冷卻到量子基態,還是一個非常難的事情,短期內不可能做到。即使能夠把奈米尺度的病毒抓住,冷卻,並制備到量子疊加態,可病毒能否算是生命體,仍舊存在爭議。要毫無爭議地制備生命體的量子疊加態,至少得用細菌才行。

疊加態細菌

回過頭來看,人們在實驗上實際已經把比普通細菌大得多的機械振子冷卻到量子基態,且制備出了它們的量子疊加態和量子糾纏態。由於超導量子計算最近幾年的迅速發展,人們對超導電路的操控能力得到了極大的進步。而與之連接的薄膜振子就更容易被操控。由此,我們可以制備機械振子的任意量子疊加態,以及兩個機械振子之間的量子糾纏態。

所以,我們想,乾脆把細菌放到這個冷卻到量子基態的薄膜表面,靠分子間的范德瓦爾斯力黏住,跟隨薄膜被冷卻,自然也就到了量子基態了。由於薄膜振子的質量比細菌的質量高兩個量級以上,沾上細菌後薄膜的頻率與振動能量衰減率都不會有顯著變化。而且被冷凍後,細菌仍舊可以保持生物活性。升溫解凍後,細菌就能恢復正常的新陳代謝。

有活物要進入量子疊加態了!是薛定諤的——細菌

圖二:附著在薄膜振子上的細菌,隨著振子一起被冷卻到量子基態。圖片來源:作者供圖

我們相信,利用現有的技術來把細菌冷卻到量子基態並不難,可能3年內就能做到。問題是,為什麼我們要做這個事情?人們已經在更大的系統中做出了量子疊加態,沾上一個小細菌把這個實驗重新做一次有什麼意義呢?

首先,這個實驗非常酷!薛定諤80年前提出的薛定諤貓悖論,為的是揭示量子力學的不完備性。現在我們的研究表明薛定諤貓雖然很遙遠,但薛定諤的細菌並不遠,生命體的量子疊加態近在眼前。

其次,我們可以用這個實驗來研究生命體內部的生化反應引發的波函數塌縮。前文提到過,如果貓有意識,它也許可以觀察自身來確保波函數始終塌縮到生存的那一部分。而所謂的自我意識,從根本上講不過是一系列的生化反應而已。研究細菌中生化反應對其自身量子疊加態的影響,可以算是實驗上研究生命體意識如何對自身薛定諤貓態塌縮起作用的第一步。

把冷凍的細菌制備到量子疊加態態,只是第一步,研究處於量子疊加態的生命體的生化反應等才是我們的目標。在我們這篇論文中,我們還提出了第二個實驗,利用這個實驗裝置來精確的測量細菌內部分子的結構和缺陷,可以做到單個電子,乃至單個原子核的分辨率。一旦做到,能幫助我們更本質地理解生物大分子如何發揮功能。

我們相信,隨著生命體的量子疊加態在實驗中做到,生物與量子物理將會更深度的交叉與融合,我們對生命的本質將會有更深刻的認識。(編輯:Steed

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鏟屎官們不會讓你們通過倫理審查的哼……








毛球控

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「打倒薛定諤!」
一個貓奴如是說。
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