实验证明了生物系统的量子力学效应

  大约75年前,诺贝尔奖得主物理学家欧文薛定谔想知道量子力学的神秘世界是否在生物学中发挥了作用。西北大学的Prem Kumar最近的一项发现进一步证明了答案可能是肯定的。

  库马尔和他的团队第一次从生物系统中产生了量子纠缠。这一发现可以促进科学家对生物学的基本认识,并可能通过利用量子力学开辟利用生物工具来实现新功能的大门。

  “我们可以运用量子工具来学习生物学吗?” Kumar是西北麦考密克工程学院和Weinberg艺术与科学学院物理与天文学的电子工程和计算机科学教授。“人们多年来一直在问这个问题 - 可以追溯到量子力学的曙光。我们对这些新量子态感兴趣的原因是因为它们允许应用本来不可能。”

  该研究由国防高级研究计划局部分支持,于12月5日在Nature Communications上发表。

  量子纠缠是量子力学中最神秘的现象之一。当两个粒子 - 如原子,光子或电子 - 被纠缠在一起时,即使粒子位于宇宙的两侧,它们也会经历一种无法解释的联系。在缠绕时,粒子的行为彼此联系在一起。例如,如果发现一个颗粒在一个方向上旋转,则另一个颗粒以由缠结决定的相应方式瞬间改变其旋转。包括库马尔在内的研究人员一直对利用量子纠缠技术在包括量子通信在内的多种应用感兴趣。由于粒子可以在没有电线或电缆的情况下进行通信,因此它们可用于发送安全消息或帮助构建极其快速的“量子互联网”。

  “研究人员一直在试图缠绕越来越大的原子或光子,以开发设计和构建量子机器的基板,”库马尔说。“我的实验室正在询问我们是否可以在生物基质上制造这些机器。”

  在这项研究中,Kumar的团队使用绿色荧光蛋白,这些蛋白负责生物发光并且常用于生物医学研究。该团队试图将藻类桶状蛋白质结构中荧光分子产生的光子通过暴露于自发的四波混合来纠缠,这一过程中多个波长相互作用产生新的波长。

  通过一系列这些实验,库马尔和他的团队在光子对之间成功地展示了一种称为偏振纠缠的纠缠。用于制作观看3D电影的眼镜的相同特征,偏振是光波中振荡的方向。波可以垂直,水平或以不同角度振荡。在Kumar的纠缠对中,光子的偏振被纠缠在一起,这意味着光波的振荡方向是相互关联的。库马尔还注意到,荧光分子周围的桶状结构保护了缠绕不被破坏。

  “当我测量一个粒子的垂直极化时,我们知道它在另一个粒子中是相同的,”他说。“如果我们测量一个粒子的水平极化,我们可以预测另一个粒子的水平极化。我们创建了一个纠缠状态,它同时在所有可能性中相互关联。”

  现在他们已经证明可以从生物粒子中产生量子纠缠,接下来库马尔和他的团队计划制造一个纠缠粒子的生物基质,这可以用来构建量子机器。然后,他们将试图了解生物基质是否比合成基质更有效。

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