水熊虫真的能跟量子位元「量子纠缠」吗?

身形娇小的水熊号称地表最强生物,能够透过独特的「隐生」能力在最极端的环境下存活。这种状态有点类似冬眠,遇见不利生存的条件时将所有代谢活动停止。

近期,有一国际研究团队宣称这种生物还有另一种出乎意料的能耐:和超导量子位元进行量子纠缠。用生物体做量子纠缠可是前所未闻,让大家都吓坏了。不过这个实验究竟做出了什麽结果,让作者可以做出这种宣称?科学家没事又为什麽要去抓水熊来纠缠呢?

什麽是量子纠缠?

量子纠缠是量子力学独有的一种描述,至於实际上到底是在「纠缠」什麽,可以参考先前这篇文章[2]

尽管名字听起来很神秘,但量子纠缠并不只存在於科幻电影和内容农场,现今在实验室中造出纠缠的粒子对早已是稀松平常的技术。量子计算和量子传送等应用领域就是以纠缠作为基础发展至今。

虽然这样说,但利用纠缠粒子将物品或人类在星际间传送的梦想可能还得再等等。因为目前能够成功被「纠缠」的都是个别的金属离子、奈米大小的粒子、和钻石结晶这类易於控制,结构简单的微小目标物。

相对於这些乾净整齐的系统,生物体的结构可说是极为杂乱复杂,难以成为量子实验的对象。

此外,为了减少物质本身热能所带来的振动影响,纠缠的实验程序时常需要在接近绝对零度的低温环境下进行。在这种温度下不只生命无法延续,许多物质的特性也都已经改变。

因此,尽管实验方面已经发展许久,要对活生生的生物进行量子纠缠仍是相当遥远的目标。对量子力学来说,整个生物世界太乱又太热,完全不会想靠近一步。正因如此,这篇拿水熊做实验的文章才引起了大家的关注。

水熊和超导量子位元的纠缠

水熊一般只有几百微米大,算是「巨观」生物中相对微小的种类,要做量子实验的话较好下手;更重要的是水熊能够以隐生状态度过严苛的实验环境,尔後再重新恢复活力,如此一来要是成功便也算是对生物体进行量子纠缠了。

实验团队於是将一只水熊放到了绝对温标 0.01 度(也就是只比绝对零度高 0.01 度),同时接近真空的环境中,在此和两个超导量子位元进行实验。他们将水熊放入其中一个量子位元零件中,并观察到位元的共振频率产生改变。接着他们用常见的量子计算程序将两个位元进行纠缠,并测试纠缠结果。

根据测试的结果,作者宣称水熊和两个量子位元形成了三个位元的组合态。也就是说,水熊在这里变成了第三个等效的量子位元,和另外两个超导位元纠缠在一起!实验结束後,水熊周遭的温度和压力被缓慢恢复至适合生存的范围,最後重新开始代谢活动。

作者宣布他们突破了以往的实验限制,打开了通往量子生物学的大门,并以「水熊和超导量子位元的纠缠」为题,将文章的预印版放上了 arXiv 网站,引起科学界一片譁然。

等等,这其实不用量子力学也能解释

虽然实验相当有趣,媒体也争相报导,但是许多物理学家认为这份研究的标题过为耸动,突破性恐怕也是过於夸大。

I said I was done with the “qubit entangled with a tardigrade” discussion (regarding an unpublished manuscript that appeared online recently). But now that misleading news pieces are coming out, I decided to spell it out at a non-technical level

1/nhttps://t.co/gjjhX6ss8g

— Ben Brubaker (@benbenbrubaker) December 18, 2021

超导量子位元其实跟一般电子零件一样,里面有电容、电感等等基本单元所组成的电路;而接近绝对零度的水熊,基本上能当成一小团冰块。

实验团队将冰块放到电容里面,会改变它的共振频率等特性其实不足为奇。如果电容里面掉进了一些灰尘,其电路性质也会受到类似的影响。

不论零件中放入冰块,灰尘,还是蚂蚁,这些影响都是「传统」的电磁学可以描述的,并非量子现象。

也就是说,作者宣称的「整只水熊做为一个量子位元进入了量子纠缠态」这个解读不只言过其实,甚至有误导之嫌。这篇文章目前还未投稿至期刊,因此没有经历同行科学家的审查,还不算是够格的科学实验结果。

关於这份研究有哪些方面需要改进,目前仍是备受争辩的有趣问题。不过有件事是大部分人都同意的,那就是这次实验再度刷新了水熊生存能力的极限。或许将来某天,水熊的隐生能力真的能成为生物世界和量子物理之间的桥梁。不过就目前而言,好奇心满点的物理学家得再更努力些。

编按:该如何验证量子纠缠,可以参考〈验证量子缠结的贝尔不等式 │ 科学史上的今天:06/28〉,此论文的主要问题是不能藉由实验设计,来确认三者共振频率改变是源自於量子纠缠。

参考资料

  1. 看过「水熊虫」走路吗?——牠的步态与 50 万倍大的昆虫很相似!
  2. 照出黑洞不算什麽,科学家连量子缠结都能拍到!?
  3. 水熊和超导量子位元的纠缠(原文)

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