“薛定谔细菌”诞生？可能是生命体首次实现量子纠缠

量子世界与宏观有机体的边界究竟在哪里？最近，科学家们可能已经成功地创造了“薛定谔细菌”。在实验中，一些光子会同时与绿色硫细菌中的光合色素分子结合并逃逸，这是量子纠缠的标志。实验结果仍有争议。如果这种解释成立，这将是科学家第一次允许生物实现量子纠缠。

量子世界是惊人的。无论在理论上还是在实践中，似乎一个粒子可以同时出现在两个地方。这种矛盾的现象也被称为叠加态。此外，两个粒子之间可能存在量子纠缠，即通过某种未知机制在长距离上有意共享信息。

也许量子力学最奇异的例子是薛定谔的猫，这是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在1935年设计的一个意识形态实验。实验假设，如果一只猫被放在一个装有潜在致命放射性物质的盒子里，那么根据量子力学的奇怪定律，猫将同时处于生与死的叠加状态——至少直到盒子被打开，猫的真实情况被观察到。

薛定谔的猫。密封的盒子里有一只猫、一瓶毒药和一个放射源。如果内部检测器(如盖革计数器)检测到放射性(即原子已经衰变)，瓶子将被打碎，释放出毒素并使盒子里的猫中毒。量子力学的哥本哈根解释认为，盒子里的猫同时处于生与死的叠加状态，但如果观察到，猫只能看到一种状态(生或死)。|图片来源:*

虽然听起来很遥远，但这些概念已经在量子尺度的实验中被无数次验证。然而，当它扩展到看起来更简单、更直观的宏观世界时，事情发生了变化。没有人见过叠加或量子纠缠的恒星、行星或猫。但是自从量子理论在20世纪初提出以来，科学家们一直想知道微观世界和宏观世界在哪里相遇。量子场有多大？它能大到足以以其最奇怪的特征密切而明确地影响生命吗？在过去的20年里，新兴的量子生物学领域一直在寻找这些问题的答案，提出并进行生物体内实验来探索量子理论的局限性。

这些实验产生了一些显著但不确定的结果。例如，今年早些时候，一些研究人员证明光合作用的过程(即生物体利用光制造食物)可能涉及一定程度的量子效应。鸟类的导航系统和人类的嗅觉也表明，量子效应可能以不同寻常的方式在生物体中发生。但是这些研究仅仅触及了量子世界。到目前为止，还没有人成功地诱导一个完整的有机体表现出量子纠缠或叠加效应，甚至对于只有一个细胞的细菌也是如此。

因此，当牛津大学的一个研究小组发表一篇论文声称光子被用来实现细菌的量子纠缠时，这引起了很多争议。这项研究由量子物理学家乔拉·马莱托领导，论文发表在10月份的《物理通讯杂志》上。这项研究主要分析了谢菲尔德大学的大卫·科尔斯和他的同事进行的一项实验。在这个实验中，柯尔斯等人在两个镜子之间分离出数百种光合绿色硫细菌，并逐渐将镜子之间的距离缩小到几百纳米以下——小于人类头发的直径。通过在镜子之间反射白光，研究人员希望观察细菌和空间中光合色素分子之间的耦合或相互作用，这实质上意味着细菌可以连续吸收光子，发射光子并重新吸收反射的光子。这个实验是成功的，多达六种细菌显示了这种耦合。

Maletto和他的同事认为细菌不仅仅表现出与蛀牙的结合。在对实验的分析中，他们证明了实验中产生的能量特征可以解释为细菌的光合作用系统和空腔中的光之间的纠缠。本质上，实验中的一些光子会同时与细菌中的光合色素分子结合并从其中逃逸——这是量子纠缠的标志。Maletto说:“我们的实验模型表明(在Coles的实验中)记录的现象是光和细菌内部一定*度之间量子纠缠的标志。"

这篇文章的合作者之一，同样来自牛津大学的特里斯坦·法罗说，这是第一次在生物体中观察到这种效应。他说:“如果你同意，这项研究确实是迈向薛定谔细菌概念的关键一步。”与此同时，它暗示了自然界中另一种可能的自发量子生物学:在深海环境中，给予生命能量的光非常稀少，这可能使那里的绿色硫细菌加速量子力学的进化和适应，以促进光合作用。

然而，这些有争议的实验结论也受到了质疑。首先，在这个实验中证明量子纠缠的证据是间接的，这取决于研究人员如何解释光从被限制在空腔中的细菌中通过和流出。Maletto和他的同事承认，即使没有量子效应的帮助，实验结果也可以用经典模型来解释。当然，光子也不是经典的；它们是量子的。然而，如果用牛顿力学来解释细菌，用量子力学来解释光子，这种更为现实的“半经典”模型就不能重现柯尔和他的同事们在实验室中观察到的结果，这意味着量子效应在光和细菌中都存在。IBM苏黎世研究实验室的量子计算研究员詹姆斯·伍顿说:“实验结论不够直接，但我认为这是因为研究人员严格地试图排除其他因素，避免做出任何过度的解释。”伍德没有参与这两篇论文的出版。

另一个有争议的观点是细菌和光子的能量是集体测量的，而不是独立测量的。荷兰代尔夫特科技大学的西蒙·GRB·布拉赫也没有参与这项研究，他认为这在某种程度上是一个限制。他说:“实验中似乎有某种量子效应。但是...通常，如果我们想证明量子纠缠，我们必须独立地测量这两个系统，以确认它们之间的任何量子关联都是真实的。

Winogradsky字符串中的绿色硫细菌。|图片来源:*

尽管存在这些不确定性，许多专家认为量子生物学从理论转变为现实只是时间问题，而不是它能否实现。几十年的实验已经证明，生命系统之外的分子可以表现出量子效应，无论是单独测量还是集体测量，所以在细菌中发现类似的效应，甚至在人体中发现类似的分子似乎都是合理的。在人类和其他大型多细胞生物中，分子水平的量子效应是平均的，因此是不显著的，但在小得多的细菌中发现有意义的量子效应并不太令人震惊。格罗布拉说:“人们对这一发现表达的惊讶程度让我有点困惑。但是如果你能在一个真实的生物系统中展示这一现象，这显然是令人兴奋的。”

包括格罗布拉和法罗在内的几个研究小组都希望进一步推进这些研究理念。格罗布拉设计了一个实验，将缓步动物(一种小型水生动物，通常被称为水熊蠕虫)置于叠加状态，但是由于缓步动物的大小是细菌的数百倍，这个实验比让细菌和光量子纠缠要困难得多。法罗正在寻找改进细菌检测的方法。他和他的同事希望在明年实现这两种细菌之间的量子纠缠，而不仅仅是让它们分别与光发生量子纠缠。“长期目标是根本和根本的。这与理解现实的本质以及量子效应是否在生物功能中发挥作用有关。从根本上说，一切都是量子的，”法罗补充道。"最大的问题是量子效应是否在生物生理活动中发挥作用. "

例如，Maletto指出了一种可能性，“自然选择为生命系统提供了一种使用量子现象的方式”，正如前面提到的深海细菌光合作用的例子，在那里光极其稀少。然而，如果你想了解整个故事，你需要从微观层面开始。目前，这项研究正稳步走向宏观层面的实验。最近的一项实验成功地实现了数百万个原子的量子纠缠。证明构成生物的分子具有有意义的量子效应。即使它们只是为了琐碎的实验目的，它们也可能是下一步的关键。如果这个想法是正确的，科学家将能够通过探索量子世界和经典世界之间的边界来更好地理解量子的宏观含义。