Auto Byte

专注未来出行及智能汽车科技

微信扫一扫获取更多资讯

Science AI

关注人工智能与其他前沿技术、基础学科的交叉研究与融合发展

微信扫一扫获取更多资讯

泽南、小舟报道

86年后,终于有人完成「真人版」薛定谔的猫实验,量子纠缠了活体动物

首先要回答的问题:实验是量子的还是经典物理的?

你一定听说过薛定谔的猫,它是著名物理学家埃尔温 · 薛定谔在 1935 年提出的一个思想实验:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变要看概率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死。如果镭不发生衰变,猫就存活。

根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓「薛定谔猫」。

图片


但是常识告诉你,不可能存在既死又活的猫,观测者必须在打开容器后才知道结果。该实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题,把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来,以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展,薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

「我不喜欢它,很抱歉与它产生了联系,」据说物理学家薛定谔在谈论量子理论时说过这样的话。

图片

奥地利物理学者埃尔温 · 薛定谔(Erwin Schrödinger, 1887 年 8 月 12 日~1961 年 1 月 4 日),1933 年诺贝尔物理学奖获得者。

有多讨厌呢?以至于他努力地用物理学中最著名的思想问题来证明它是荒谬的,这个问题涉及将一只猫放在一个盒子里。

根据该理论,只有在观察到的情况下才能说时空的分裂发生了。否则,它必须被认为是不确定的。由于猫的命运与原子的命运一致,薛定谔的猫也必须被认为既不死也不活。

纯属胡来,薛定谔总结道。然而,后来的研究人员找到了将这一思维问题转化为实际实验的方法,这些方法实际上验证了量子理论的预测。一项实验使用了一个几乎冷却到绝对零度的谐振器,使其在两个量子态之间「纠缠」在了一起,无论是否振动。这两个状态后来显示为叠加态。

实际上,生物的纠缠对于物理学家来说是一项壮举,对于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止不动接受检查,但如果你能将它们冷冻到能展示出量子力学的温度,你就可以探测它们的组成部分。

有些人认为光合作用等生化过程必须涉及到量子效应,这种方法可能是证明这一观点的好主意。

把一种生物冷冻到绝对零度?这么想的话,候选者似乎就只有一个了——科普领域里的「网红」水熊虫。缓步动物是在几乎完全真空的情况下,再冻结到极端温度仍有机会保持活力的理想候选者。

图片


要纠缠一个生命形式,你必须把它放在一个极端的真空的环境中,并在不杀死它的情况下将它冷却到几乎绝对零度。细菌就可以这样纠缠在一起。现在,一组科学家说他们缠住了一种水熊虫,这是一种肉眼几乎看不见的小动物,大部分长度小于一毫米。

11 位研究人员于 12 月 16 日于在线预印版论文网站 arXiv 上提交了他们的工作。其中包括新加坡国立大学量子技术中心的 Rainer Dumke 和波兰格但斯克大学的 Tomasz Paterek,他们在 2019 年因在磁化蟑螂方面的工作而荣获搞笑诺贝尔奖,其研究涉及动物导航的方法。

图片


论文链接:https://arxiv.org/abs/2112.07978

听起来有点不正经?但记录表明,至少有一位搞笑诺贝尔奖的获得者安德烈 · 海姆 (Andre Geim) 获得过真正的诺贝尔奖。他因为悬浮青蛙而获得了 2000 年的搞笑诺贝尔奖,2010 年又因为发现石墨烯而获得过诺贝尔物理学奖。

缓步动物对于环境的忍耐力几乎和微生物一样强,当你将其置于极端环境时,它通过蜷缩成一个叫做「tun」的球进入休眠状态,这个过程被称为「隐生」(Cryptobiosis)。

水熊虫具有全部四种隐生性,即低湿隐生、低温隐生、变渗隐生及缺氧隐生,能够在恶劣环境下停止所有新陈代谢。缓步动物也因此被认为是生命力最强的动物。在隐生时,其一般可以在高温(151°C)、接近绝对零度(最低 - 272.8°C)、高辐射、真空或高压的环境下生存数分钟至数日不等。曾经有缓步动物隐生超过 120 年的记录。

图片

听起来就像是脱水的三体人。

尽管有些人认为隐生时至少某些新陈代谢必须继续进行,但这最好的描述可能是一种被搁置的生命。2019 年,当以色列首个登月航天器「创世纪」意外坠毁,一群缓步动物沉积在月球上时,许多人猜测这些小动物即使在那里也能幸存下来。遗憾的是,后来涉及发射尼龙子弹的冲击实验表明这种事并不会发生。

Dumke 和他的同事们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生产出基于量子效应的全新计算机。他们想知道如果将休眠的缓步动物放在一个量子比特上,使系统接近绝对零度会发生什么。

首先,他们了解到,即使这样缓步动物也幸存了下来。这本身就是一个重要的发现。

「在这样的极端低温条件下,几乎没有任何东西在移动,一切都处于基态(所有原子的振动都会停止)。动物就是一粒灰尘,」Dumke 告诉 IEEE Spectrum。「将它恢复到可以生存的条件,缓慢地增加温度和压力,然后它就会恢复过来。有人认为,在密码生物学(cryptobiological )状态下,一些新陈代谢正在进行。不是这样。」

这一发现提出了一个问题:是什么自然选择的力量能让缓步动物变得如此坚韧? 它似乎对其正常的陆地栖息地(包括苔藓和地衣)进行了过度设计。

另外,Dumke 等人认为,他们在量子比特和缓步动物之间实现了真正的量子纠缠。更大的物体被如此纠缠在一起,但那些物体是无生命的物质。这是一个更大胆的主张——而且更难以被人相信。

「我们从能量状态为 0 的超导量子比特开始,类似于基态的原子。没有振荡——什么都没有发生,」Dumke 说。 「我们可以使用微波在适当的时间内提供适当数量的能量,以将其提高到 1 级。这就像原子中电子的第二个轨道。现在震荡开始了。」

「再或者,这是重要的一点,我们可以添加那么多的能量,但只用一半的时间就可以将系统提升到 1/2 的量子态,也就是叠加态。 在这种状态下,系统同时振荡又不振荡。你可以进行广泛的测试来测量所有三种状态。」

然后研究者在许多不同的条件下测试系统以确定量子态,他们发现由量子比特和缓步动物组成的系统占据的能量状态比任何一个单独占据的都低。研究人员得出结论:二者已经纠缠在一起。

然而,几天后涌现出一些对于该研究的批评声。

一位物理学家出身的评论者 Ben Benbruker 在 Twitter 上辩称:这些实验并未证明作者所声称的内容。他认为有三种可能:

  • 用整个水熊虫实现了量子纠缠;

  • 用水熊虫的一部分实现了量子纠缠;

  • 根本没有实现量子纠缠。


最后一种情况意味着任何影响都是由一些经典物理(非量子)过程引起的。

该研究的研究者也承认他们无法进行完美的实验,因为那要涉及使用两个探针独立测量缓步动物和量子比特。而该研究的缓步动物与量子比特封装在一起,形成一个混合结构,因此很难独立控制两个探针。

图片

实验草图

另一位研究者、牛津大学物理学教授 Vlatko Vedral 说:「你必须构建一个模型,将量子比特表示为一个量子力学系统。如果你按照经典方式进行实验,将无法解释所有的特征。这些特征是组合系统能够达到的量子能量态。事实上,大部分化学物质都基于这种范德华力。」

论文一作 Kai Sheng Lee 称:「论文在介绍第二个量子比特时,对上述关于量子纠缠的质疑给出了部分回答。」水熊虫旁边两个超导量子比特的存在加强了纠缠存在的理由,因为在这里似乎存在一个处于 0 状态的量子比特(|0>)与另一个处于 1 状态(|1>)的量子比特叠加。

然而,Vedral 也承认主要的弱点是「没有对缓步动物进行直接测量。」

可以直接测量这个纠缠三角形中的每个部分吗?Dumke 尝试之后表示:「可以尝试在缓步动物内部找到一个特定的共振频率,然后使用这个频率来找出导致更强纠缠的原因。」

Vendral 则提议:「也许可以通过基因改造水熊虫来产生共振。 」

要不要人为设计出这样的生物呢?也许他们正在考虑这个问题,也许他们在想这样做值不值得。或许这也是一种叠加态。

参考原文:https://spectrum.ieee.org/schrodingers-tardigrade
理论量子纠缠
相关数据
量子力学技术

量子力学(Quantum Mechanics),为物理学理论,是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。

推荐文章
暂无评论
暂无评论~