首獲實證！生物大分子存在量子效應，薛定諤細菌或可預期

孫滔

短桿菌肽的量子效應

11月1日，維也納量子科技中心的物理學家Markus Amdt團隊首次證明了短桿菌肽的分子干擾，這是一種15個氨基酸長度的來自土壤的天然抗生素，其質量為1882個原子質量單位。這個研究發表在預印本arXiv上。

該研究的意義在于，這是一項生物大分子的量子特性研究，在此研究基礎上再進一步，DNA、蛋白酶的量子特性有望被證實，薛定諤細菌或可被實錘敲定。

量子效應實證再進一步

量子力學的一個重要概念是波粒二象性，是說微小粒子會表現出既像粒子又像波的特征。雙縫實驗就是一個典型實證：單個粒子（如電子、光子）會同時穿過兩個縫隙，表現出波特有的干涉現象。

事實上，物理學家推論稱，所有物體都具有或多或少的量子效應，也都有自身的波長。那么，在更為敏感的試驗背景下，比粒子更大尺度的宏觀物體也應表現出波粒二象性。

在1999年，Markus Arndt作為第一作者在Nature發表研究證明了富勒烯分子（c60）的波粒二象性，這是一個革命性的突破。問題來了，能否在生物大分子尺度上證明波粒二象性？

維也納大學的實驗很簡單，制作單個的短桿菌肽分子，檢測其自身干涉圖像。事實上這并非易事。因為這樣的單個分子很容易破碎。

研究人員在玻璃碳輪涂上薄薄的一層短桿菌肽，然后向輪子發射一組短的激光脈沖，可將短桿菌肽分子沖擊下來。這個脈沖只有293飛秒（1飛秒=1000萬億分之1秒）的長度，這樣能保證將大分子驅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為350飛米（1飛米=1000萬億分之1米）。

最后一步也是最難的一步，即檢測波自身的干涉。短桿菌肽的波長大約是其本身波長的千分之一，研究人員使用了一種名為Talbot-Lau的干涉檢測技術。結果顯而易見，短桿菌肽的相干長度超出了其分子大小的20倍以上。

Markus Arndt團隊專注于大分子的干涉檢測。今年9月23日，《自然一物理學》（NaturePhysics）發表了Markus Amdt團隊論文《超過25千道爾頓分子的量子疊加》。研究是關于一種含有超過2000個原子的大分子，全氟烷基官能化的卟啉低聚物衍生物，因為原子由質子、中子和電子構成，所以這個大分子包含了超過4萬個粒子。這個大分子并非天然分子，而是由科學家設計、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。

量子現象的研究需要消除背景噪聲，所以常常會將粒子隔離在接近絕對零度的溫度下，這樣幾乎所有的粒子運動都停止了。而環境溫度越高，粒子運動越快，背景噪聲嘈雜，量子效應會很快消失。這是維也納大學在常溫下進行研究的挑戰所在。

本論文第一作者Armin Shayeghi是維也納量子科學與技術中心莉澤·邁特納研究員，他于2015年獲得達姆施塔特工業大學愛德華·辛特爾研究所的物理化學博士學位。

亞原子世界是反直覺的，電子和光子等粒子同時表現為粒子和波，同時占據多個位置和狀態，并能穿過看似不可穿透的勢壘?；诖耍x菲爾德大學的學者檢測到光子和細菌之間發生了量子糾纏。數百個光合細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的空隙，再移動鏡子來調節白光在細胞周圍反射的方式。研究證明，這種精妙的裝置使光子與少數細胞中的光合作用結構發生相互作用。

專訪北京理工大學物理學院量子技術研究中心準聘教授尹璋琦

問：如何評價維也納大學這個工作？

尹璋琦：Markus Amdt是這個工作的指導教授，他過去20年一直在做有機大分子的物質波干涉實驗。比如說1999年，用C60分子做出了物質波干涉。所以，他能做出這個實驗完全是意料之中的。

他的研究是在室溫溫度下進行的。室溫下通常分子量子效應很小，所以要精確設計實驗，挑選出速度在600米每秒附近的分子，這些分子運動的量子相干長度比分子的物質波波長要長幾十倍，實驗上才能看到雙縫干涉。因為隨著分子的尺度越來越大，物質波會越來越小，它維持相干的時間會越來越短。

Markus Amdt的實驗可以理解為就是雙縫干涉，基本原理上是一樣的，但他的任何一個實驗都很難。

問：這樣的研究有什么用嗎？

尹璋琦：還是有一些應用的。維也納大學的論文提到，這種物質波作為一種量子的檢測手段，能夠更精準、更靈敏地檢測分子。

問：他們要回答的是什么問題？

尹璋琦：他要追問的是，所謂的經典世界和量子世界的分隔點到底在哪？本質上他是為了解答薛定諤的貓悖論問題，只是他現在先從簡單的小分子開始，在生物大分子之后再就是病毒這類比較復雜的微生物，只能一步一步來。

問：那么他能不能一下子跳到病毒、細菌這樣的尺度上來做實驗？

尹璋琦：太難了，至少Markus Arndt這條技術路線上肯定不是那么容易了，你想他1999年做了60個原子的C60量子效應，到今年做到2000個原子大小的，20年間也才將分子大小提高幾十倍，而病毒、細菌包含的原子數目是個天文數字。

再往大了做，比如說2016年我與普渡大學李統藏教授合作提出的，可以制備機械振子上細菌的任意量子疊加態，以及兩個機械振子之間的量子糾纏態。把冷凍的具有生物活性的細菌放到冷卻到量子基態的薄膜表面，靠分子間的范德瓦爾斯力粘住，隨著薄膜冷卻，細菌也就到量子基態。薄膜振子直徑大概有15個微米，厚度大概是100個納米上下。由于薄膜振子質量比細菌質量高很多，沾上細菌后薄膜的振動特性不會有顯著變化，那么原來那個實驗怎么做還是怎么做。這樣等于是細菌本身也進入了量子疊加或者兩次干涉的效應。

我們的研究表明，薛定諤貓雖然很遙遠，但薛定諤的細菌并不遠，生命體的量子疊加態近在眼前。

問：這個如何實現呢？

尹璋琦：我們做理論的，我們自己沒有辦法做實驗。

《科學美國人552018年7月的一篇專題報道，介紹了荷蘭代爾夫特理工大學Simon Grblacher教授的一個實驗設想，把尺度在幾十微米的水熊蟲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。

這個想法其實就是我們前幾年在ScienceBulletin上發表的理論方案的變種。雖然這個專題報道并沒有提及我們的這個理論方案，但我還是很高興，能看到這個理論想法被一流的實驗組看到并改進。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制備和相應的Bell不等式驗證。他們也許是做生命體的量子疊加態、量子糾纏態的最有希望的實驗組之一。（摘自美《深科技》）（編輯/華生）