Физика

Тихоходка: первый многоклеточный организм, подвергшийся квантовому запутыванию


Исследователям из Наньянского технологического университета в Сингапуре только что удалось провести почти невероятный эксперимент: квантовая запутанность тихоходки со сверхпроводящим кубитом! Этот подвиг знаменует собой первый случай, когда многоклеточный организм был подвергнут такому квантовому явлению. В последнем эксперименте животное даже выжило в навязанных ему экстремальных условиях. Да, выбор тихоходки для этого исследования, конечно, не случаен.

Квантовая запутанность — это явление в квантовой механике, которое и по сей день остается частично непонятым, при котором две частицы (или группы частиц) образуют связанную систему. Таким образом, каким бы ни было расстояние между ними, их квантовые состояния (1, 0 или оба одновременно) связаны. В этом так называемом "запутанном состоянии" существуют корреляции между физическими свойствами двух частиц.

Тихоходок больше не нужно представлять, но небольшое напоминание всегда может быть полезно ... Эти очаровательные существа, которых также называют «водяными медведями» из-за их забавной внешности, особенно известны своей невероятной стойкостью, способными выжить в экстремальных условиях, температуры и давления, и даже в вакууме. По всем этим причинам эти микроскопические животные вполне могли стать первыми межзвездными путешественниками.

Один из секретов этой безупречной устойчивости тихоходок — их способность входить в состояние крайнего ангидробиоза, иногда называемое "спячкой", которое они готовятся путем почти полного высыхания (путем удаления до 95% воды). Тот факт, что эти существа могут переносить такие экстремальные условия, предполагает, что их сопротивление является результатом полной остановки их метаболических процессов. В результате тихоходки стали, по мнению Райнера Думке (ведущего автора исследования) и его коллег, идеальными кандидатами на то, чтобы потенциально стать первыми многоклеточными организмами, которые выдержали квантовую запутанность.

Квантовая запутанность живых существ: вызов за пределами нашего понимания

Для эксперимента исследователи поместили тихоходку (вида Ramazzottius varieornatus) в состояние "спячки" между двумя сверхпроводящими кубитами (эквивалент бита в классических вычислениях). Животное было связано сверхпроводящим переходом с зарядовым кубитом (кубит B). Второй кубит (кубит A) был связан только емкостью (конденсатором) с кубитом B.

После того как элементы эксперимента оказались на своих местах, они снизили давление и температуру до тех пор, пока не получили почти идеальный вакуум и почти абсолютный ноль (-273,15 °C - это температура абсолютного нуля, то есть 0 K), тем самым уменьшив любые внешнее воздействие (возбуждение) на кубиты и тихоходку. Это химически "замороженное" состояние позволило описать и обработать всю систему в терминах физики, без необходимости рассматривать биологический аспект тихоходки.

Чтобы определить, было ли достигнуто состояние запутанности между тихоходкой и кубитом, исследователи измерили частоту, на которой вибрировала комбинация тихоходка-кубит. Результат: расчеты (основанные на измерениях) имели смысл только в том случае, если два объекта считались находящимися в состоянии квантовой запутанности. Фактически, можно сказать, что две частицы запутаны, когда одна из них не может быть идеально описана без включения информации о другой, что и произошло в данном случае.

Таким образом, исследователи смогли подтвердить достижение состояния запутанности, впервые в истории связав в определенной степени физические свойства квантового бита и многоклеточного организма. Подробности эксперимента были опубликованы на сервере предварительной публикации arXiv.

Схема эксперимента. a) Тихоходка в состоянии спячки находится между пластинами шунтирующего конденсатора, немного смещенная от сверхпроводящего перехода кубита трансмона B (тип зарядового кубита). Кубит A находится на нижней стороне и емкостно связан с кубитом B. Весь чип помещен в трехмерную медную полость, установленную внутри рефрижератора разбавления и подключенную к стандартной микроволновой электронике для него. б) Принципиальная схема двух кубитов и подключения к тихоходке. в) Увеличение реанимированной тихоходки на кубите трансмона. Тихоходку в состоянии спячки помещают в то же положение, оставаясь прикрепленным к небольшому куску фильтровальной бумаги.

После проведения измерений исследователи медленно сбросили давление и нагрели тихоходку, выводя ее из состояния спячки и возвращая к жизни. Но рекорды, установленные этой супер тихоходкой, на этом не заканчиваются: рассматриваемая температура (которая была лишь на 0,01 °C выше абсолютного нуля) является самой низкой, которую когда-либо выживал тихоходка! Однако следует отметить, что эта тихоходка была третьим кандидатом, прошедшим эксперимент, первые два не выжили из-за слишком быстрого нагрева.

По словам исследователей нового исследования, этот эксперимент показывает, что животное действительно находилось в аметаболическом состоянии, поскольку любой активный химический процесс не позволил бы осуществить квантовую запутанность. Тем не менее остановка метаболизма тихоходок все еще обсуждается в специализированном научном сообществе, при этом некоторые утверждают, что в состоянии спячки по-прежнему сохраняется более низкая метаболическая активность.

Хотя тихоходка, безусловно, была жива до и после запутывания, спорным моментом является то, была ли она жива во время, и как именно она запуталась. Более того, по словам исследователей, в такого рода экспериментах никогда не ясно, какая часть организма на самом деле вовлечена в запутывание. Несмотря на эти технические препятствия, Райнер Думке и его команда надеются в будущем запутать другие формы жизни.

Что все это конкретно означает для исследований? Прежде всего, следует сказать, что поддержание квантового состояния, соответствующего степеням свободы многоклеточной биологической системы, такой большой, как тихоходка, является довольно большим достижением... И это только первый шаг в изучении того, как эти квантовые явления, которые мы только начинаем понимать с микроскопической точки зрения, действуют и взаимодействуют в более широком масштабе, и в частности на живых существах и с ними.

Подписывайтесь на нас
Back to top button