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水熊蟲成為(wei) 首個(ge) 實現量子糾纏的動物？

01

一直以來，將生物係統和量子係統一起討論都不是一件容易的事，因為(wei) 它們(men) 所需要的似乎是恰好相反的條件。生命是複雜的，“又熱又濕”；而量子物體(ti) 又小又冷，需要被精準控製。

然而在一項新的研究中，一個(ge) 物理學家團隊利用緩步動物（tardigrade），也就是水熊蟲，進行了一項量子糾纏實驗。

有著地表最強生物稱號的水熊蟲是一種微小的多細胞生物。

2019年，當這些神奇的微小生物曾意外地墜落在月球上時，還引發了人們(men) 對月球表麵可能因此遭到汙染的擔憂。

在地球上的實驗室裏，它們(men) 也已經“參與(yu) ”了多項科學研究，比如它們(men) 曾承受過超高速的子彈撞擊，也曾沐浴在滾燙的熱水中，暴露在強烈的紫外線輻射下，生存在真空環境中……

所有的這些極端條件，都是為(wei) 了測試它們(men) 的一種被稱為(wei) “tun”狀態，這種狀態是水熊蟲的一種極限生存機製。

在這種狀態下，它們(men) 會(hui) 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(men) 的生物功能。

現在，研究人員已經將他們(men) 的實驗細節發布到了預印網站arXiv上。在新論文中，他們(men) 稱實驗表明，水熊蟲可以實現臨(lin) 時的量子糾纏。

如果這一研究最終能通過同行評議，那麽(me) 這個(ge) 實驗將證實水熊蟲是首個(ge) 糾纏的活體(ti) 動物。

02

量子糾纏是量子力學中的一種奇異現象，它通常發生在亞(ya) 原子粒子尺度上。

處於(yu) 糾纏態的兩(liang) 個(ge) 粒子會(hui) 以某種方式神秘地“連接”在一起，當一個(ge) 粒子的屬性發生變化，另一個(ge) 粒子也會(hui) 以同樣的方式瞬間發生變化，即使它們(men) 一個(ge) 位於(yu) 地球，另一個(ge) 身處遙遠的銀河係之外，這種聯係仍然可以存在。

愛因斯坦曾對這種現象表示懷疑，並稱之為(wei) “鬼魅般的超距作用”。

不過，這種效應其實是可以超越亞(ya) 原子粒子領域的。在一篇於(yu) 2018年發表在《物理通訊雜誌》的研究中，一個(ge) 研究團隊就表明某種光和細菌能夠與(yu) 光子糾纏在一起。

那麽(me) ，作為(wei) 一種多細胞生物的水熊蟲，是否也能發展出這種奇異的關(guan) 聯呢？

在新的研究中，研究人員團隊從(cong) 丹麥的一個(ge) 屋頂排水溝處采集了三隻水熊蟲，它們(men) 在動態狀態下的大小為(wei) 0.2到0.34毫米之間，但是當研究人員將它們(men) 冷凍，使它們(men) 進入“tun”狀態後，其尺寸縮小到了原來的1/3左右。

接著，研究人員更進一步地凍結了這幾隻水熊蟲，將它們(men) 冷卻到非常接近絕對零度的溫度（10mK），並將它們(men) 置於(yu) 非常低的壓強下。

在實驗中，研究人員將處於(yu) “tun”狀態的水熊蟲放在一個(ge) 超導體(ti) 電路的兩(liang) 個(ge) 電容板之間，這種超導體(ti) 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(yu) 它附近的量子比特A是通過一個(ge) 電容器耦合在一起的。

當水熊蟲接觸到量子比特B時，它會(hui) 改變量子比特B的共振頻率。

然後，水熊蟲與(yu) 量子比特B的結合整體(ti) ，就會(hui) 被耦合到量子比特A上，使這兩(liang) 個(ge) 係統相互糾纏。

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

在幾次測試中，研究人員發現，量子比特和水熊蟲的頻率都是串聯變化的，就像是一個(ge) 由三部分組成的糾纏係統。

在三隻水熊蟲進入“tun”狀態的420小時（17.5天）後，研究人員對它們(men) 進行了溫和的加熱，試圖讓它們(men) 複蘇。

結果是有一隻水熊蟲恢複了它的活躍狀態，另外兩(liang) 隻則死去。研究人員認為(wei) ，這隻唯一的水熊蟲幸存者，是曆史上首個(ge) 量子糾纏動物。

03

這一結果聽起來無疑是令人興(xing) 奮的。然而，這篇尚未經過同行評議的新研究一經發布，便收到了科學界的許多批評和質疑聲。

其中一種主要的爭(zheng) 議就在於(yu) ，實驗中所觀察到的耦合，無論在有或沒有糾纏的情況下都可以被觀測到。

支持這種說法的物理學家認為(wei) ，在一個(ge) 量子比特上放置一個(ge) 水熊蟲的確可能會(hui) 改變這個(ge) 量子比特的頻率，但這與(yu) 兩(liang) 個(ge) 糾纏在一起是不同的。

實驗所做到的隻是把一個(ge) 水熊蟲放在了兩(liang) 個(ge) 耦合量子比特中的一個(ge) 的電容部分上，這時的水熊蟲基本上就是凍結的水而已，它在實驗中就像是一個(ge) 電介質，改變了它所在的一個(ge) 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(ge) 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(chan) 生類似的效果。

簡而言之，批評者認為(wei) 將水熊蟲與(yu) 一對量子比特糾纏在一起的說法是完全錯誤的，這個(ge) 實驗從(cong) 任何意義(yi) 上說，都沒有讓水熊蟲與(yu) 量子比特糾纏在一起。

水熊蟲究竟是不是第一個(ge) 實現了糾纏的活體(ti) 動物，或許還有待科學家的進一步探討。

從(cong) 另一個(ge) 角度來看，無論這些水熊蟲是否經曆了“鬼魅般的超距作用”，在被冷卻到10mK後仍然複蘇的水熊蟲向我們(men) 展示了，它們(men) 比我們(men) 之前認為(wei) 的更耐久，即便它們(men) 不是“量子的”，也已經足夠神奇。

來源：原理（ID：principia1687）

作者：小雨

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