这只“地表最强生物”，首次进入了量子世界？

▎药明康德内容团队编辑

生命，在这个世界中无处不在，它们能适应不同的环境，在宏观和微观尺度中存在；量子效应却似乎站在相反的一面：脆弱，通常在微观尺度、极低的温度下才能出现，一旦受到扰动便会消失。现在，这两个看似对立的概念，却被联系到了一起。新加坡南洋理工大学的科学家在最新论文中指出，一只水熊虫成为首个进入量子态的动物。不过，事实真的如此吗？

上世纪20年代，量子力学的诞生彻底改变了现代科学。其中，量子纠缠无疑是一个核心概念。当两个或多个物体处于纠缠态，它们之间就形成了某种神秘的联系：无论相距多远，当一个物体的性质发生变化，另一个物体也会同时发生变化。这种效应被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”。

通常而言，纠缠的物体都是微观世界的粒子。但近些年来，科学家也在拓展纠缠的范围，试图寻找量子纠缠的边界。今年5月，一项发表于《科学》的研究就首次直接观测到宏观物体的量子纠缠——研究团队让两张长20微米的铝片进入了纠缠态。相比于微观粒子，这已经是个很大的突破，但这个还不如头发丝粗的物体，显然不是科学家的终极目标。

另一方面，物理学家与生物学家也在探索：生命和量子纠缠有着怎样的关系？

最近数十年，物理学家与生物学家在一个名为“量子生物学”的交叉学科中建立了密切的联系，并且他们已经取得了不少突破：例如，鸟类的磁感应、植物的光合作用就被一些研究认为与量子效应有关。而另一些科学家的目标，则是直接将完整的生命个体送入纠缠态。

2018年，牛津大学的研究团队在一篇发表于Journal of Physics Communications的论文中表示，他们实现了光合硫细菌与光子之间的纠缠。按照他们的说法，这项研究向着“薛定谔的细菌”迈出了一大步。不过需要指出的是，对于这一结论以及实验中使用的观测方法，仍然存在一些争议。

尽管如此，这项在单细胞生物身上取得的突破，还是激励着一些雄心勃勃的科学家更进一步，他们希望在更复杂的多细胞生物身上实现量子纠缠。而首个实验对象，就是水熊虫。

在动物分类中，水熊虫属于缓步动物门，它们也被很多人称作“地表最强生物”。人们已经发现，这类生物有着令人咋舌的生存能力。在极端条件下，它们可以进入一种隐生状态，通过冷冻或脱水将代谢活动降至最低；待到条件合适，再恢复活力。它们能忍受150℃的高温与接近绝对零度的极端低温，能承受超过7万个大气压，能暴露在紫外线辐射下……它们还被以色列的“创世纪”号着陆器带上了月球——不过着陆器不幸坠毁，这些动物也生死未卜。

因此，水熊虫较小的体型和在不同环境（尤其是接近绝对零度的低温）下的强大生存能力，使得它们成为打造“量子动物”的不二选择。

▲拥有顽强生命力的缓步动物水熊虫（图片来源：参考资料[4]）

在最新研究中，作者试图检测水熊虫这种的多细胞生物能否进入量子态。他们收集了3只体长在0.2~0.45毫米之间的水熊虫，将它们冻结后，这些动物的体型缩小至最初的三分之一。随后他们进一步降温至10豪开尔文，已经无比接近于绝对零度；而压强只有大气压的百万分之一。即使对水熊虫来说，这也是它们经历过的极限生存环境。

接下来，研究团队将这3只冻结的水熊虫分别放在超导电路的两块电容板之间。这时，这个电路就形成了一个量子比特（如下图所示的量子比特B）。当水熊虫接触到量子比特B的电容板，量子比特B的共振频率会改变。量子比特B与周围的量子比特A通过电容器耦合在一起，因此这两个量子比特处于纠缠态。经过几次测试，研究团队注意到两个量子比特和水熊虫的频率是串联变化的，说明这是一个由三部分组成的纠缠系统。

▲水熊虫与两个量子比特组成的实验装置（图片来源：参考资料[1]）

最终，在进入冻结状态后的第17天，研究人员给这3只水熊虫缓慢升温，试图唤醒它们。结果其中一只幸存并恢复活力，这只幸存者也被研究者称为“第一只实现量子纠缠的动物”。

作者在论文中写道：“尽管人们可能说，与水熊虫组成相近的非生物物体也能产生类似的结果，但我们要强调的是，我们是在一个完整的生命体身上观察到了量子纠缠，并且实验后它的生命功能还得以保留。”

不过，这篇尚未接受同行评议的论文在公开之后，也遭到了不少质疑与批评。而质疑的原因也非常直接：这个实验根本无法证明水熊虫进入了量子态。

一些科学家认为，水熊虫与量子比特之间或者是与量子效应无关的经典作用，或者压根没有出现相互作用，而只是将冻结脱水的水熊虫放在量子比特上。

“将水熊虫放在量子比特这个电路旁，两者间的作用是通过我们已经了解了150多年的电磁感应实现的。如果是将一粒灰尘放在量子比特旁，也能产生类似的效应。” 物理学家Ben Brubaker这样评价这项实验。

莱斯大学物理和天文学院的院长Douglas Natelson教授也表示：“作者只是将水熊虫放在一对耦合的量子比特之一的电容板上，这只水熊虫就像是冻结的水，如同一个绝缘体，改变了它所处的量子比特的共振频率……这完全不是量子纠缠。”

这只水熊虫究竟是否进入了纠缠态，或许还需要等待同行评议的结果，以及更多科学家的进一步探讨。但至少，它们又一次在极端环境中证明了自己的生命力。未来，无论是寻找通往量子世界的桥梁，还是作为深空旅行的急先锋，相信这种神奇的动物都会无数次与人类共同书写历史。

参考资料：

[1] K. S. Lee et al., Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade. https://arxiv.org/pdf/2112.07978.pdf

[2] Frozen tardigrade becomes first 'quantum entangled' animal in history, researchers claim. Retrieved Dec. 21 2021 from https://www.livescience.com/tardigrade-quantum-entangled-experiment

[3] How a Tardigrade "Micro Animal" Became Quantum Entangled with Superconducting Qubit. Retrieved Dec. 22 2021 from https://www.discovermagazine.com/the-sciences/how-a-tardigrade-micro-animal-became-quantum-entangled-with-superconducting

[4] Schokraie E, Warnken U, Hotz-Wagenblatt A, Grohme MA, Hengherr S, et al. (2012) Comparative proteome analysis of Milnesium tardigradum in early embryonic state versus adults in active and anhydrobiotic state. PLoS ONE 7(9): e45682. doi:10.1371/journal.pone.0045682

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