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薛定谔的水熊虫

科学
wanwan (42055)发表于 2022年01月11日 18时32分 星期二
来自全面启动
据说物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)在谈到量子理论时表示:“我不喜欢它,很抱歉与它产生了联系。”他感到非常遗憾,所以试图用物理学最著名的思想问题证明其荒谬,即把一只猫放在一个盒子里,如果放射性原子自发分裂,盒子会充满毒气。根据该理论,只有在被观察的情况下才能说原子发生了分裂;否则它必须被认为是不确定的。因为猫的命运与原子的命运息息相关,所以必须认为薛定谔的猫既不死也不活。

薛定谔对此的总结是:彻头彻尾的胡扯。但后来研究人员找到了将这个思想问题转化为真实实验的方法,这些实际上验证了量子理论的预测。一个实验使用了一个冷却到接近绝对零度的谐振器,因此它在两个量子态之间“纠缠”——振动或者不振动。实验显示出这两种状态是重叠的。

实际上,让生物实现量子纠缠对物理学家来说是一项壮举,对生物化学家来说可能更是如此。复杂的化学系统通常不会静候检查,但是如果你能将它们冷冻到量子冷态,你就可以探测它们的组成部分。一些人认为,光合作用等生化过程必须涉及量子效应;这种方法可能是一种能证明这些观点的方法。缓步类动物(水熊虫)是在近乎完全真空中冷却到绝对零度的好对象。它们和微生物一样顽强。

要让生命形式产生量子纠缠,你必须将它置于极端真空之中,并将其冷却至接近绝对零度,但又不能杀死它。科学家通过这种方式对细菌实现量子纠缠。现在一群科学家表示,他们对一种通常被称为水熊虫的缓步类动物实现了纠缠,这是一种肉眼几乎看不见的可爱小动物。

11 名研究人员于 12 月 15 日在未经同行评审的在线预印本服务器 arXiv 上发表了他们的工作。新加坡量子技术中心的 Rainer Dumke 和波兰格但斯克大学的 Tomasz Paterek 参与了这项工作,他们在 2019 年因磁化蟑螂获得了搞笑诺贝尔奖(IgNobel)(结果对动物导航的方法产生了影响)。

记录表明,至少有一位搞笑诺贝尔奖得主 Andre Geim 后来得到了真正的诺贝尔奖。他因让青蛙悬浮而获得搞笑诺贝尔奖,因发现石墨烯获得了真正的诺贝尔奖。

缓步类动物是在近乎完全真空中冷却到绝对零度的好对象。它们和微生物一样顽强。这种动物在受到侵犯时会蜷缩成球进入冬眠(被称为“tun)”,这个过程被称为隐生现象。尽管一些人认为至少还有一些新陈代谢必须继续,但对“tun”最好的描述可能是生命暂停了。2019 年,以色列的航天器意外迫降,一群水熊虫被留在了月球上,很多人猜测这些生物即使在那里也能存活下来。可悲的是,后来用尼龙子弹进行的实验证明不会发生这种情况。

Dumke 和他的同事目前对研究超导量子比特的过程产生了兴趣,许多人希望这种电子振荡器能够产生一种基于量子效应的全新计算机。他们想知道如果他们将休眠的水熊虫放在一个量子比特上,使系统接近绝对零度会发生什么状况。首先他们发现,水熊虫活了下来。仅此一项就是一项重大发现。

水熊虫旁边的两个超导量子比特的存在加强了纠缠的存在——在这种情况下,该生物似乎与一个|0>量子比特和一个|1>量子比特叠加在一起。这项发现也提出了一个问题,即自然选择的什么力量可以使水熊虫如此顽强?对于它们正常的陆地栖息环境(包括苔藓和地衣)而言,它们似乎被过度设计了。

其次,Dumke和同事认为,他们在量子比特和水熊虫之间实现了真正的量子纠缠。也有过更大的物体实现过这种纠缠,但是那些物体都是无生命的物质。这是一个更大的说法——也更难有定论。

Dumke 表示:“我们从一个能量状态为 0 的超导量子比特开始,与原子的基态相当;没有振荡——什么都没发生。”“我们可以使用微波在适当的时间内提供精确数量的能量,将能量状态提升到 1;这就像是原子中的第二个轨道。它现在在振荡了。”

然后,工作人员在多种不同条件下对该系统进行测试以确定量子态,他们发现由量子比特和水熊虫组成的系统所占据的能量状态比两者中任何一个单独占据的能量状态都要低。研究人员得出结论,这两个对象已经纠缠在一起了。