首获实证!生物大分子存在量子效应,薛定谔细菌或可预期

科学
首获实证!生物大分子存在量子效应,薛定谔细菌或可预期
麻省理工科技评论 2019-11-19

2019-11-19

维也纳量子科技中心的物理学家 Markus Arndt 团队首次证明了短杆菌肽的分子干扰
物理 科学
维也纳量子科技中心的物理学家 Markus Arndt 团队首次证明了短杆菌肽的分子干扰

11 月 1 日,维也纳量子科技中心的物理学家 Markus Arndt 团队首次证明了短杆菌肽的分子干扰,这是一种 15 个氨基酸长度的来自土壤的天然抗生素,其质量为 1882 个原子质量单位,即 3.13 × 10−24千克。这个研究发表在预印本 arXiv 上。

首获实证!生物大分子存在量子效应,薛定谔细菌或可预期

图 | 短杆菌肽的量子效应。(来源:Markus Arndt)

该研究的意义在于,这是一项生物大分子的量子特性研究,在此研究基础上再进一步,DNA、蛋白酶的量子特性有望被证实,薛定谔细菌或可被实锤敲定。

量子效应实证再进一步

量子力学的一个重要概念是波粒二象性,是说微小粒子会表现出既像粒子又像波的特征。双缝实验就是一个典型实证:单个粒子(如电子、光子)会同时穿过两个缝隙,表现出波特有的干涉现象。

事实上,物理学家推论称,所有物体都具有或多或少的量子效应,也都有自身的波长。那么,在更为敏感的试验背景下,比粒子更大尺度的宏观物体也应表现出波粒二象性。

在 1999 年,Markus Arndt 作为第一作者在 Nature 发表研究证明了富勒烯分子(C60)的波粒二象性,这是一个革命性的突破。问题来了,能否在生物大分子尺度上证明波粒二象性?

维也纳大学的实验很简单,制作单个的短杆菌肽分子,检测其自身干涉图像。事实上这并非易事。因为这样的单个分子很容易破碎。

首获实证!生物大分子存在量子效应,薛定谔细菌或可预期

图 | Markus Arndt 实验原理图。(来源:Markus Arndt)

研究人员在玻璃碳轮涂上薄薄的一层短杆菌肽,然后向轮子发射一组短的激光脉冲,可将短杆菌肽分子冲击下来。这个脉冲只有 293 飞秒的长度,这样能保证将大分子驱离轮子表面又不损伤其自身。之后,这些自由漂浮的大分子被裹挟到每秒 600 米的氩原子束中,这里的短杆菌肽大分子波长为 350 飞米(1 飞米为 1x10-15 米)。

最后一步也是最难的一步,即检测波自身的干涉。短杆菌肽的波长大约是其本身波长的千分之一,研究人员使用了一种名为 Talbot-Lau 的干涉检测技术。

结果显而易见,短杆菌肽的相干长度超出了其分子大小的 20 倍以上。

Markus Arndt团队专注于大分子的干涉检测。今年9月23日,《自然-物理学》(Nature Physics )发表了Markus Arndt团队论文《超过25 千道尔顿分子的量子叠加》。研究是关于一种含有超过2000个原子的大分子,全氟烷基官能化的卟啉低聚物衍生物,因为原子由质子、中子和电子构成,所以这个大分子包含了超过4万个粒子。这个大分子并非天然分子,而是由科学家设计、合成而来,目的是制造一种高分子量、低电子极化率和粘性的大分子。
量子现象的研究需要消除背景噪声,所以常常会将粒子隔离在接近绝对零度的温度下,这样几乎所有的粒子运动都停止了。而环境温度越高,粒子运动越快,背景噪声嘈杂,量子效应会很快消失。这是维也纳大学在常温下进行研究的挑战所在。

本论文第一作者 Armin Shayeghi 是维也纳量子科学与技术中心莉泽·迈特纳(Lise Meitner)研究员,他于 2015 年获得达姆施塔特工业大学爱德华·辛特尔研究所的物理化学博士学位。

亚原子世界是反直觉的,电子和光子等粒子同时表现为粒子和波,同时占据多个位置和状态,并能穿过看似不可穿透的势垒。基于此,谢菲尔德大学的学者检测到光子和细菌之间发生了量子纠缠。数百个光合细菌被置于两面相距不到 1 微米的镜子之间,然后用白光照射微生物浮动的空隙,再移动镜子来调节白光在细胞周围反射的方式。研究证明,这种精妙的装置使光子与少数细胞中的光合作用结构发生相互作用。

专访北京理工大学物理学院量子技术研究中心准聘教授尹璋琦

DeepTech:如何评价维也纳大学这个工作?

尹璋琦:Markus Arndt 是这个工作的指导教授,他过去 20 年一直在做有机大分子的物质波干涉实验。比如说 1999 年,用 C60 分子做出了物质波干涉。所以,他能做出这个实验完全是意料之中的。

他的研究是在室温温度下进行的。室温下通常分子量子效应很小,所以要精确设计实验,挑选出速度在 600 米每秒附近的分子,这些分子运动的量子相干长度比分子的物质波波长要长几十倍,实验上才能看到双缝干涉。因为随着分子的尺度越来越大,物质波会越来越小,它维持相干的时间会越来越短。

Markus Arndt 的实验可以理解为就是双缝干涉,基本原理上是一样的,但他的任何一个实验都很难。

DeepTech:这样的研究有什么用吗?

尹璋琦:还是有一些应用的。维也纳大学的论文提到,这种物质波作为一种量子的检测手段,能够更精准、更灵敏地检测分子。

DeepTech:他们要回答的是什么问题?

尹璋琦:他要追问的是,所谓的经典世界和量子世界的分隔点到底在哪?本质上他是为了解答薛定谔的猫悖论问题,只是他现在先从简单的小分子开始,在生物大分子之后再就是病毒这类比较复杂的微生物,只能一步一步来。

DeepTech:那么他能不能一下子跳到病毒、细菌这样的尺度上来做实验?

尹璋琦:太难了,至少 Markus Arndt 这条技术路线上肯定不是那么容易了,你想他 1999 年做了 60 个原子的 C60 量子效应,到今年做到 2000 个原子大小的,20 年间也才将分子大小提高几十倍,而病毒、细菌包含的原子数目是个天文数字。

再往大了做,比如说 2016 年我与普渡大学李统藏教授合作提出的,可以制备机械振子上细菌的任意量子叠加态,以及两个机械振子之间的量子纠缠态。把冷冻的具有生物活性的细菌放到冷却到量子基态的薄膜表面,靠分子间的范德瓦尔斯力粘住,随着薄膜冷却,细菌也就到量子基态。薄膜振子直径大概有 15 个微米,厚度大概是 100 个纳米上下。由于薄膜振子质量比细菌质量高很多,沾上细菌后薄膜的振动特性不会有显著变化,那么原来那个实验怎么做还是怎么做。这样等于是细菌本身也进入了量子叠加或者两次干涉的效应。

我们的研究表明,薛定谔猫虽然很遥远,但薛定谔的细菌并不远,生命体的量子叠加态近在眼前。

DeepTech:这个如何实现呢?

尹璋琦:我们做理论的,我们自己没有办法做实验。

《科学美国人》2018 年 7 月的一篇专题报道,介绍了荷兰代尔夫特理工大学 Simon Gröblacher 教授的一个实验设想,把尺度在几十微米的水熊放到微纳米薄膜振子上,在超低温和高真空中,冷却薄膜振子,把生物体水熊制备到量子叠加态。

这个想法其实就是我们前几年在 Science Bulletin 上发表的理论方案的变种。虽然这个专题报道并没有提及我们的这个理论方案,但我还是很高兴,能看到这个理论想法被一流的实验组看到并改进。Simon Gröblacher 教授最近几年完成了微米尺度的薄膜振子的量子纠缠态制备和相应的 Bell 不等式验证。他们也许是做生命体的量子叠加态、量子纠缠态的最有希望的实验组之一。

尹璋琦简介

首获实证!生物大分子存在量子效应,薛定谔细菌或可预期

尹璋琦,北京理工大学物理学院量子技术研究中心准聘教授。2009 在西安交通大学应用物理系获物理博士学位。在今年加入北京理工大学之前,曾先后在中科院武汉物理与数学研究所、中国科学技术大学和清华大学交叉信息研究院工作。2012 年与人合作提出用囚禁离子实现一种新的“时空晶体”的实验方案,论文发表在 Phys. Rev. Lett 上,并被选为封面文章和编辑推荐。2016 年,与人合作提出了制备细菌的量子叠加态、量子纠缠态和实现细菌之间量子隐形传态的实验方案,得到了国际媒体的广泛报道。2018 年,在 IBM 量子云计算平台上首次实现了 16 个量子比特的完全纠缠,被数十家国外媒体报道。

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