这只“地表最强生物”，首次进入了量子世界？

现在，这两个看似对立的概念，却被联系到了一起。新加坡南洋理工大学的科学家在最新论文中指出，一只水熊虫成为首个进入量子态的动物。不过，事实真的如此吗？

上世纪20年代，量子力学的诞生彻底改变了现代科学。其中，量子纠缠无疑是一个核心概念。当两个或多个物体处于纠缠态，它们之间就形成了某种神秘的联系：无论相距多远，当一个物体的性质发生变化，另一个物体也会同时发生变化。这种效应被爱因斯坦称作“鬼魅般的超距作用”。

通常而言，纠缠的物体都是微观世界的粒子。但近些年来，科学家也在拓展纠缠的范围，试图寻找量子纠缠的边界。今年5月，一项发表于《科学》的研究就首次直接观测到宏观物体的量子纠缠——研究团队让两张长20微米的铝片进入了纠缠态。相比于微观粒子，这已经是个很大的突破，但这个还不如头发丝粗的物体，显然不是科学家的终极目标。

另一方面，物理学家与生物学家也在探索：生命和量子纠缠有着怎样的关系？

最近数十年，物理学家与生物学家在一个名为“量子生物学”的交叉学科中建立了密切的联系，并且他们已经取得了不少突破：例如，鸟类的磁感应、植物的光合作用就被一些研究认为与量子效应有关。而另一些科学家的目标，则是直接将完整的生命个体送入纠缠态。

2018年，牛津大学的研究团队在一篇发表于Journal of Physics Communications的论文中表示，他们实现了光合硫细菌与光子之间的纠缠。按照他们的说法，这项研究向着“薛定谔的细菌”迈出了一大步。不过需要指出的是，对于这一结论以及实验中使用的观测方法，仍然存在一些争议。

尽管如此，这项在单细胞生物身上取得的突破，还是激励着一些雄心勃勃的科学家更进一步，他们希望在更复杂的多细胞生物身上实现量子纠缠。而首个实验对象，就是水熊虫。

在动物分类中，水熊虫属于缓步动物门，它们也被很多人称作“地表最强生物”。人们已经发现，这类生物有着令人咋舌的生存能力。在极端条件下，它们可以进入一种隐生状态，通过冷冻或脱水将代谢活动降至最低；待到条件合适，再恢复活力。它们能忍受150℃的高温与接近绝对零度的极端低温，能承受超过7万个大气压，能暴露在紫外线辐射下……它们还被以色列的“创世纪”号着陆器带上了月球——不过着陆器不幸坠毁，这些动物也生死未卜。

因此，水熊虫较小的体型和在不同环境（尤其是接近绝对零度的低温）下的强大生存能力，使得它们成为打造“量子动物”的不二选择。

在最新研究中，作者试图检测水熊虫这种的多细胞生物能否进入量子态。他们收集了3只体长在0.2~0.45毫米之间的水熊虫，将它们冻结后，这些动物的体型缩小至最初的三分之一。随后他们进一步降温至10豪开尔文，已经无比接近于绝对零度；而压强只有大气压的百万分之一。即使对水熊虫来说，这也是它们经历过的极限生存环境。

接下来，研究团队将这3只冻结的水熊虫分别放在超导电路的两块电容板之间。这时，这个电路就形成了一个量子比特（如下图所示的量子比特B）。当水熊虫接触到量子比特B的电容板，量子比特B的共振频率会改变。量子比特B与周围的量子比特A通过电容器耦合在一起，因此这两个量子比特处于纠缠态。经过几次测试，研究团队注意到两个量子比特和水熊虫的频率是串联变化的，说明这是一个由三部分组成的纠缠系统。

最终，在进入冻结状态后的第17天，研究人员给这3只水熊虫缓慢升温，试图唤醒它们。结果其中一只幸存并恢复活力，这只幸存者也被研究者称为“第一只实现量子纠缠的动物”。

作者在论文中写道：“尽管人们可能说，与水熊虫组成相近的非生物物体也能产生类似的结果，但我们要强调的是，我们是在一个完整的生命体身上观察到了量子纠缠，并且实验后它的生命功能还得以保留。”

不过，这篇尚未接受同行评议的论文在公开之后，也遭到了不少质疑与批评。而质疑的原因也非常直接：这个实验根本无法证明水熊虫进入了量子态。

一些科学家认为，水熊虫与量子比特之间或者是与量子效应无关的经典作用，或者压根没有出现相互作用，而只是将冻结脱水的水熊虫放在量子比特上。

“将水熊虫放在量子比特这个电路旁，两者间的作用是通过我们已经了解了150多年的电磁感应实现的。如果是将一粒灰尘放在量子比特旁，也能产生类似的效应。” 物理学家Ben Brubaker这样评价这项实验。

莱斯大学物理和天文学院的院长Douglas Natelson教授也表示：“作者只是将水熊虫放在一对耦合的量子比特之一的电容板上，这只水熊虫就像是冻结的水，如同一个绝缘体，改变了它所处的量子比特的共振频率……这完全不是量子纠缠。”

这只水熊虫究竟是否进入了纠缠态，或许还需要等待同行评议的结果，以及更多科学家的进一步探讨。但至少，它们又一次在极端环境中证明了自己的生命力。未来，无论是寻找通往量子世界的桥梁，还是作为深空旅行的急先锋，相信这种神奇的动物都会无数次与人类共同书写历史。

参考资料：

[1] K。 S。 Lee et al。， Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade。 https：//arxiv.org/pdf/2112.07978.pdf

[2] Frozen tardigrade becomes first ‘quantum entangled’ animal in history， researchers claim。 Retrieved Dec。 21 2021 from https：//www.livescience.com/tardigrade-quantum-entangled-experiment

[3] How a Tardigrade “Micro Animal” Became Quantum Entangled with Superconducting Qubit。 Retrieved Dec。 22 2021 from https：//www.discovermagazine.com/the-sciences/how-a-tardigrade-micro-animal-became-quantum-entangled-with-superconducting

[4] Schokraie E， Warnken U， Hotz-Wagenblatt A， Grohme MA， Hengherr S， et al。 （2012） Comparative proteome analysis of Milnesium tardigradum in early embryonic state versus adults in active and anhydrobiotic state。 PLoS ONE 7（9）： e45682。 doi：10.1371/journal.pone.0045682