不可思议！首次实现量子比特与多细胞生物的量子纠缠

光子盒研究院出品

新加坡南洋理工大学的研究人员完成了一项不可思议的实验：缓步动物(tardigrade)与超导量子比特的量子纠缠！这一壮举标志着首次发现多细胞生物的量子纠缠现象。

量子纠缠是一种至今仍被部分误解的量子力学现象，其中两个粒子(或粒子群)形成一个联动系统。所以，不管它们之间的距离有多远，它们的量子态(1、0或者同时是两者)都是联系在一起的。在这种“纠缠”状态下，两个粒子的物理性质之间存在某种相关性。

至于缓步动物，顾名思义，它们行动极其迟缓，体型极小，50微米到1.4毫米不等，这种生物对不良环境具有极强的忍耐能力，甚至是在真空中。例如，遇到干旱时，它们可将身体含水量由正常的85%降至3%，此时运动停止，身体萎缩，在这种状态下，可以抵御恶劣的环境达数年之久，如极限温度、电离辐射、缺氧等，当环境好转时，身体再复苏。另外因其滑稽的外表而被称为“水熊”(water bears)。

在显微镜下的水熊

如上所述，缓步动物在极端环境下能够生存的原因之一是它们能够进入极端脱水状态，有时称为“冬眠”，它们通过消除高达95%的水分来达到这种状态。在这种称为“tun”(桶)的状态下，它们看起来像小桶，因此得名。这些生物能够忍受这种极端条件的事实表明，它们的忍耐力是其代谢过程完全停止的结果。因此，根据Rainer Dumke(这项研究的主要作者)及其同事的说法，缓步动物是有可能成为第一个承受量子纠缠的多细胞生物的理想候选者。

在实验中，研究人员在两个超导量子比特之间放置了一个处于tun状态的缓步动物。这只动物通过一个超导结连接到一个电荷量子比特(量子比特B)。第二个量子比特(量子比特A)仅通过一个电容连接到量子比特B。

一旦实验准备就绪，他们就开始降低气压和温度，直到获得几乎完美的真空和几乎绝对零度(-273.15°C)，从而减少任何对量子比特和缓步动物的外部影响(激发)。这种化学上的“冻结”状态使得可以用物理学来描述和处理整个系统，而不必考虑缓步动物的生物学方面。

为了确定缓步动物和量子比特之间是否已经达到纠缠状态，研究人员测量了缓步动物-量子比特组合振动的频率。结果显示：只有当两个物体被认为处于量子纠缠状态时，计算(基于测量)才有意义。理论上讲，当一个粒子在没有包含另一个粒子的信息的情况下无法被完美描述时，可以说两个粒子是纠缠在一起的，这里就是这种情况。

因此，研究人员能够证实纠缠态已经实现，从某种程度上说，这是世界上首次将量子比特和多细胞生物的物理特性联系起来。实验的详细信息已发布到arXiv网站[1]。

实验示意图。a)处于tun态的缓步动物位于并联电容器的极板之间，稍微偏离transmon量子比特B(一种电荷量子比特)的超导结。量子比特A位于底部，与量子比特B电容耦合。整个芯片被放置在安装在稀释制冷机内部的3D铜腔中，并连接到标准微波电子设备。b)两个量子比特的电路图和与缓步动物的连接。c)在transmon量子比特上复活的缓步动物的放大图。处于tun状态的缓步动物被放置在相同的位置，同时保持附着在一张小滤纸上。

在进行测量之后，研究人员慢慢降低缓步动物的压力并给其升温，使其脱离放松状态并恢复生机。但是这个超级缓步动物创造的记录并不止于此：所讨论的温度(仅比绝对零度高0.01摄氏度)是缓步动物生存过的最低温度！需要指出的是，这只缓步动物是第三个进行实验的候选者，前两只由于升温过快而没有存活下来。

根据研究人员的说法，这项实验表明，缓步动物确实处于一种无代谢状态，因为任何活跃的化学过程都不会允许量子纠缠。然而，缓步动物代谢是否停滞仍在科学界讨论，一些人认为它们在tun状态下仍有少量代谢活动。

虽然这只缓步动物在纠缠前后肯定还活着，但争论的焦点是它在纠缠期间是否还活着，以及它究竟是如何被纠缠的。而且，根据研究人员的说法，在这种类型的实验中，你永远不知道生物体的哪一部分真正参与了纠缠。尽管存在这些技术上的障碍，Dumke和他的团队希望在未来纠缠其他生命形式。

下一步，科学家将在更大的范围内(特别是生物内部以及生物之间)研究这些量子现象。

论文链接：

[1]https://arxiv.org/pdf/2112.07978.pdf

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