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11 月 1 日，維也納量子科技中心的物理學(xué)家 Markus Arndt 團(tuán)隊(duì)首次證明了短桿菌肽的分子干擾，這是一種 15 個(gè)氨基酸長(zhǎng)度的來自土壤的天然抗生素，其質(zhì)量為 1882 個(gè)原子質(zhì)量單位，即 3.13 × 10?24千克。這個(gè)研究發(fā)表在預(yù)印本 arXiv 上。 圖 | 短桿菌肽的量子效應(yīng)。（來源：Markus Arndt） 該研究的意義在于，這是一項(xiàng)生物大分子的量子特性研究，在此研究基礎(chǔ)上再進(jìn)一步，DNA、蛋白酶的量子特性有望被證實(shí)，薛定諤細(xì)菌或可被實(shí)錘敲定。 量子效應(yīng)實(shí)證再進(jìn)一步 量子力學(xué)的一個(gè)重要概念是波粒二象性，是說微小粒子會(huì)表現(xiàn)出既像粒子又像波的特征。雙縫實(shí)驗(yàn)就是一個(gè)典型實(shí)證：?jiǎn)蝹€(gè)粒子（如電子、光子）會(huì)同時(shí)穿過兩個(gè)縫隙，表現(xiàn)出波特有的干涉現(xiàn)象。 事實(shí)上，物理學(xué)家推論稱，所有物體都具有或多或少的量子效應(yīng)，也都有自身的波長(zhǎng)。那么，在更為敏感的試驗(yàn)背景下，比粒子更大尺度的宏觀物體也應(yīng)表現(xiàn)出波粒二象性。 在 1999 年，Markus Arndt 作為第一作者在 Nature 發(fā)表研究證明了富勒烯分子（C60）的波粒二象性，這是一個(gè)革命性的突破。問題來了，能否在生物大分子尺度上證明波粒二象性？ 維也納大學(xué)的實(shí)驗(yàn)很簡(jiǎn)單，制作單個(gè)的短桿菌肽分子，檢測(cè)其自身干涉圖像。事實(shí)上這并非易事。因?yàn)檫@樣的單個(gè)分子很容易破碎。 圖 | Markus Arndt 實(shí)驗(yàn)原理圖。（來源：Markus Arndt） 研究人員在玻璃碳輪涂上薄薄的一層短桿菌肽，然后向輪子發(fā)射一組短的激光脈沖，可將短桿菌肽分子沖擊下來。這個(gè)脈沖只有 293 飛秒的長(zhǎng)度，這樣能保證將大分子驅(qū)離輪子表面又不損傷其自身。之后，這些自由漂浮的大分子被裹挾到每秒 600 米的氬原子束中，這里的短桿菌肽大分子波長(zhǎng)為 350 飛米（1 飛米為 1x10-15 米）。 最后一步也是最難的一步，即檢測(cè)波自身的干涉。短桿菌肽的波長(zhǎng)大約是其本身波長(zhǎng)的千分之一，研究人員使用了一種名為 Talbot-Lau 的干涉檢測(cè)技術(shù)。 結(jié)果顯而易見，短桿菌肽的相干長(zhǎng)度超出了其分子大小的 20 倍以上。 Markus Arndt團(tuán)隊(duì)專注于大分子的干涉檢測(cè)。今年9月23日，《自然-物理學(xué)》（Nature Physics ）發(fā)表了Markus Arndt團(tuán)隊(duì)論文《超過25 千道爾頓分子的量子疊加》。研究是關(guān)于一種含有超過2000個(gè)原子的大分子，全氟烷基官能化的卟啉低聚物衍生物，因?yàn)樵佑少|(zhì)子、中子和電子構(gòu)成，所以這個(gè)大分子包含了超過4萬個(gè)粒子。這個(gè)大分子并非天然分子，而是由科學(xué)家設(shè)計(jì)、合成而來，目的是制造一種高分子量、低電子極化率和粘性的大分子。 本論文第一作者 Armin Shayeghi 是維也納量子科學(xué)與技術(shù)中心莉澤·邁特納（Lise Meitner）研究員，他于 2015 年獲得達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)愛德華·辛特爾研究所的物理化學(xué)博士學(xué)位。 亞原子世界是反直覺的，電子和光子等粒子同時(shí)表現(xiàn)為粒子和波，同時(shí)占據(jù)多個(gè)位置和狀態(tài)，并能穿過看似不可穿透的勢(shì)壘。基于此，謝菲爾德大學(xué)的學(xué)者檢測(cè)到光子和細(xì)菌之間發(fā)生了量子糾纏。數(shù)百個(gè)光合細(xì)菌被置于兩面相距不到 1 微米的鏡子之間，然后用白光照射微生物浮動(dòng)的空隙，再移動(dòng)鏡子來調(diào)節(jié)白光在細(xì)胞周圍反射的方式。研究證明，這種精妙的裝置使光子與少數(shù)細(xì)胞中的光合作用結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用。 專訪北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心準(zhǔn)聘教授尹璋琦 DeepTech：如何評(píng)價(jià)維也納大學(xué)這個(gè)工作？ 尹璋琦：Markus Arndt 是這個(gè)工作的指導(dǎo)教授，他過去 20 年一直在做有機(jī)大分子的物質(zhì)波干涉實(shí)驗(yàn)。比如說 1999 年，用 C60 分子做出了物質(zhì)波干涉。所以，他能做出這個(gè)實(shí)驗(yàn)完全是意料之中的。 他的研究是在室溫溫度下進(jìn)行的。室溫下通常分子量子效應(yīng)很小，所以要精確設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，挑選出速度在 600 米每秒附近的分子，這些分子運(yùn)動(dòng)的量子相干長(zhǎng)度比分子的物質(zhì)波波長(zhǎng)要長(zhǎng)幾十倍，實(shí)驗(yàn)上才能看到雙縫干涉。因?yàn)殡S著分子的尺度越來越大，物質(zhì)波會(huì)越來越小，它維持相干的時(shí)間會(huì)越來越短。 Markus Arndt 的實(shí)驗(yàn)可以理解為就是雙縫干涉，基本原理上是一樣的，但他的任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)都很難。 DeepTech：這樣的研究有什么用嗎？ 尹璋琦：還是有一些應(yīng)用的。維也納大學(xué)的論文提到，這種物質(zhì)波作為一種量子的檢測(cè)手段，能夠更精準(zhǔn)、更靈敏地檢測(cè)分子。 DeepTech：他們要回答的是什么問題？ 尹璋琦：他要追問的是，所謂的經(jīng)典世界和量子世界的分隔點(diǎn)到底在哪？本質(zhì)上他是為了解答薛定諤的貓悖論問題，只是他現(xiàn)在先從簡(jiǎn)單的小分子開始，在生物大分子之后再就是病毒這類比較復(fù)雜的微生物，只能一步一步來。 DeepTech：那么他能不能一下子跳到病毒、細(xì)菌這樣的尺度上來做實(shí)驗(yàn)？ 尹璋琦：太難了，至少 Markus Arndt 這條技術(shù)路線上肯定不是那么容易了，你想他 1999 年做了 60 個(gè)原子的 C60 量子效應(yīng)，到今年做到 2000 個(gè)原子大小的，20 年間也才將分子大小提高幾十倍，而病毒、細(xì)菌包含的原子數(shù)目是個(gè)天文數(shù)字。 再往大了做，比如說 2016 年我與普渡大學(xué)李統(tǒng)藏教授合作提出的，可以制備機(jī)械振子上細(xì)菌的任意量子疊加態(tài)，以及兩個(gè)機(jī)械振子之間的量子糾纏態(tài)。把冷凍的具有生物活性的細(xì)菌放到冷卻到量子基態(tài)的薄膜表面，靠分子間的范德瓦爾斯力粘住，隨著薄膜冷卻，細(xì)菌也就到量子基態(tài)。薄膜振子直徑大概有 15 個(gè)微米，厚度大概是 100 個(gè)納米上下。由于薄膜振子質(zhì)量比細(xì)菌質(zhì)量高很多，沾上細(xì)菌后薄膜的振動(dòng)特性不會(huì)有顯著變化，那么原來那個(gè)實(shí)驗(yàn)怎么做還是怎么做。這樣等于是細(xì)菌本身也進(jìn)入了量子疊加或者兩次干涉的效應(yīng)。 我們的研究表明，薛定諤貓雖然很遙遠(yuǎn)，但薛定諤的細(xì)菌并不遠(yuǎn)，生命體的量子疊加態(tài)近在眼前。 DeepTech：這個(gè)如何實(shí)現(xiàn)呢？ 尹璋琦：我們做理論的，我們自己沒有辦法做實(shí)驗(yàn)。 《科學(xué)美國(guó)人》2018 年 7 月的一篇專題報(bào)道，介紹了荷蘭代爾夫特理工大學(xué) Simon Gr?blacher 教授的一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)想，把尺度在幾十微米的水熊放到微納米薄膜振子上，在超低溫和高真空中，冷卻薄膜振子，把生物體水熊制備到量子疊加態(tài)。 這個(gè)想法其實(shí)就是我們前幾年在 Science Bulletin 上發(fā)表的理論方案的變種。雖然這個(gè)專題報(bào)道并沒有提及我們的這個(gè)理論方案，但我還是很高興，能看到這個(gè)理論想法被一流的實(shí)驗(yàn)組看到并改進(jìn)。Simon Gr?blacher 教授最近幾年完成了微米尺度的薄膜振子的量子糾纏態(tài)制備和相應(yīng)的 Bell 不等式驗(yàn)證。他們也許是做生命體的量子疊加態(tài)、量子糾纏態(tài)的最有希望的實(shí)驗(yàn)組之一。 尹璋琦簡(jiǎn)介 尹璋琦，北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心準(zhǔn)聘教授。2009 在西安交通大學(xué)應(yīng)用物理系獲物理博士學(xué)位。在今年加入北京理工大學(xué)之前，曾先后在中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和清華大學(xué)交叉信息研究院工作。2012 年與人合作提出用囚禁離子實(shí)現(xiàn)一種新的“時(shí)空晶體”的實(shí)驗(yàn)方案，論文發(fā)表在 Phys. Rev. Lett 上，并被選為封面文章和編輯推薦。2016 年，與人合作提出了制備細(xì)菌的量子疊加態(tài)、量子糾纏態(tài)和實(shí)現(xiàn)細(xì)菌之間量子隱形傳態(tài)的實(shí)驗(yàn)方案，得到了國(guó)際媒體的廣泛報(bào)道。2018 年，在 IBM 量子云計(jì)算平臺(tái)上首次實(shí)現(xiàn)了 16 個(gè)量子比特的完全糾纏，被數(shù)十家國(guó)外媒體報(bào)道。 參考： https:///abs/1910.14538 |
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