圓夢薛定諤假說！最新實驗證明了生物系統中的量子力學效應

知識 12-08

在這項研究中，庫馬爾的研究小組使用了綠色熒光蛋白，這種蛋白主要負責讓生物體發光，並且常用於生物醫學的研究中。研究小組試圖通過將發光分子產生的光子自發暴露於四波混頻（多種波長相互作用產生新的波長的過程）中，從而使綠色熒光蛋白桶狀結構內的熒光分子生成的光子發生糾纏。

導語：量子力學在微觀領域的大獲成功證明了其描述微觀世界複雜粒子行為的可能，事實上，早在75年前，諾貝爾獎得主埃爾溫·薛定諤就好奇，量子力學在生物學領域是否也能發揮其作用？最近，來自美國西北大學的教授普瑞姆·庫瑪爾的一個發現，進一步證明了薛定諤問題的答案或許是肯定的。

圖| 綠色熒光蛋白是海洋生物水母體內的一種發光蛋白。（來源：Glebstock / Fotolia）

庫馬爾和他的團隊首次創建出了來自生物系統的量子糾纏。這一發現將促使科學家們更好地理解生物學，也為生物學工具通過量子力學獲得新功能打開了大門。

作為美國西北大學麥考克工程學院的電子工程和計算機科學教授，庫馬爾還是溫伯格藝術與科學學院的物理學和天文學教授。「我們可以應用量子技術來研究生物學嗎？」從量子力學初現曙光起，這麼多年以來，人們都一直在探討這個問題。他說，我們對這些新的量子態感興趣的原因就在於它們有被應用於生物學研究的可能。

在美國能源部高級研究計劃局的資助下，該研究發表在12月5日出版的《自然·通信》雜誌上。

量子糾纏是量子力學最神秘的現象之一。當兩個粒子（如原子，光子或電子）組成系統時，即使這兩個粒子位於宇宙的兩端，其中一個粒子仍會影響另外一個粒子的狀態。在它們組成的系統中，粒子之間的「行為」是相互影響或相互感應的。例如，如果一個粒子在一個方向上旋轉，則另一個粒子將以相應的方式通過糾纏機制同時改變其自旋。包括庫馬爾在內的研究人員一直對利用量子糾纏來處理包括量子通信在內的多種應用很感興趣。由於這些粒子之間可以在沒有纜線連接的情況下直接通信，因此，利用這一特性來發送安全的信息，或幫助創建超快的「量子互聯網」顯得意義重大。

庫馬爾說：「研究人員一直在努力實現尺度更大的原子或光子的糾纏，來為量子機器的誕生打下基礎。「而疑惑就在於，這些由相互糾纏的粒子組成的生物基質是否能用來建造量子機器。」

圖| Prem Kumar

通過一系列的實驗，庫馬爾和他的研究小組成功地展示了光子對之間的偏振糾纏。這與用於觀看3D電影的眼鏡的製作原理相同，偏振是光波的振動方向，光波能垂直、水平或者以任意角度發生偏振。在庫馬爾團隊的實驗過程中，光子對之間的偏振糾纏意味著，光波的振動方向彼此關聯。庫瑪爾強調，熒光分子周圍的桶狀結構保護了這種糾纏免遭破壞。