“薛定谔的细菌”诞生？这可能是生命体第一次实现量子纠缠

量子世界与宏观生物体交汇的边界究竟在哪里？最近，科学家可能已经成功制造出“薛定谔的细菌”，实验中某些光子会同时结合和逃离绿硫细菌中的光合色素分子——这正是量子纠缠的标志。实验结果仍然很有争议，如果这种解读成立，这将是科学家第一次让生命体实现量子纠缠。

自从 20 世纪初量子理论被提出以来，科学家们就一直想知道微观世界和宏观世界到底在哪里交汇。量子的领域到底有多大？它能大到以它最奇怪的特性密切、明确地影响生命体吗？纵观过去的二十年，量子生物学这个新兴领域一直在寻找这些问题的答案，提出并进行活体生物实验，以探索量子理论的极限。

这些实验已经产生了一些引人注目但尚无定论的结果。例如，今年早些时候，有研究者证明光合作用（即有机体利用光制造食物）的过程可能涉及了一定程度的量子效应。鸟类的导航系统和人类的嗅觉也提示，量子效应可能在生物体中以不寻常的方式发生。但这些研究只是刚刚触及了量子世界。

2009年，科学家们提出可以把某些病毒制备到量子叠加态，他们称之为薛定谔病毒。这是首次有人提出可以把生命体制备到量子叠加态（如下图所示），并给出了实验上可行的方案描述。这是一个突破性的进展。通过光镊技术，可以把几十个纳米大小的病毒振子束缚在光势阱中。这个病毒振子的运动几乎是完全与环境脱耦的，有可能通过光驱动冷却到基态，从而制备出薛定谔猫态。要知道，很多病毒是能够在真空中生存的，且不会吸收光波的能量，适合被光镊操控。因此如果我们把病毒束缚在真空光镊中，我们就可能制备出具有生物活性的系统的量子叠加态。这种量子叠加态与薛定谔当年提出的薛定谔猫态就几乎一模一样了。

▲把有生命的病毒制备到量子叠加态。图片来源：iopscience.iop.org/1367-2630/12/3/033015/fulltext/

目前为止，还没有人成功地诱导一个完整的生物表现出量子纠缠或叠加效应，哪怕只有一个细胞的细菌。因此，当牛津大学（University of Oxford）的一个研究小组发表论文，声称用光子实现了细菌的量子纠缠，这引发了不少争议。这项研究由量子物理学家恰拉·马莱托（Chiara Marletto）领导，论文于 10 月发表在《物理通讯杂志》（Journal of Physics Communications）上。

研究主要分析了谢菲尔德大学（University Of Sheffield）的大卫·科尔斯（David Coles）和同事们进行的一项实验。在这个实验中，科尔斯等人将数百个光合绿硫细菌隔在两面镜子之间，并逐渐缩小镜子之间的距离到几百纳米以下——还不到人类头发的直径。

通过在镜子间反射白光，研究人员希望观察到细菌体内的光合色素分子与空间产生耦合或相互作用，这在本质上意味着细菌能不断吸收光子、发射光子和再吸收反射光子。这项实验是成功的，其中有多达六个的细菌表现出了这样的耦合状态。马莱托和同事们认为，细菌所表现的不仅仅是与空腔产生耦合。在实验分析中，他们证明实验中产生的能量特征可以被解释为细菌的光合作用系统与腔体中的光产生了纠缠。本质上，实验中某些光子会同时结合和逃离细菌中的光合色素分子——这正是量子纠缠的标志。

他说：“如果你认同的话，这项研究确实是我们向‘薛定谔的细菌’这个想法迈出的关键一步。”同时它暗示了自然界中另一种可能自发产生量子生物学的情况：深海环境中给予生命能量的光非常稀缺，这可能使那里的绿硫细菌加快量子力学的演化适应，以促进光合作用。

不过，这些充满争议的实验结论也受到了许多质疑。首要的是，这个实验中证明量子纠缠的证据是间接的，取决于研究者如何解释光从被禁锢在空腔的细菌中通过和流出。另一个争议点是：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（Delft University of Technology）的西蒙·格罗布拉赫（Simon Gr?blacher）也没有参与这项研究，他认为这点在某种程度上是一种局限。他说：“实验中似乎存在某种量子效应。但是……通常如果我们想要演示量子纠缠，就必须独立测量两个系统”，这是为了确认它们之间的任何量子关联都是真实的。

▲Winogradsky 管柱中的绿硫细菌。| 图片来源：Wikipedia

尽管伴随着许多争议，但随着生命体的量子叠加态在实验中实现，生物与量子物理将会更深度的交叉与融合，我们对生命的本质将会有更深刻的认识。

编辑：沈湫莎

责任编辑：顾军