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研究人员证实生物系统中存在量子力学效应

科界 2017-12-08

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▲绿色荧光蛋白使水母发光

早在75年以前,诺贝尔奖得主物理学家欧文·薛定谔就已怀疑,神奇的量子力学是否也存在于生物学领域。近日,美国西北大学教授Prem Kumar的研究成果1给出了可能的答案。Kumar及其团队,首次在生物系统中制造了量子纠缠。这一发现可以促进科学家们对生物学的基本认识,并打开了利用量子力学赋予生物学工具新功能的大门。

“我们能利用量子力学来研究生物学吗?”Kumar讲道,“人们已经追问这个问题很多年了——甚至可以追溯到量子力学建立之初。我们对此如此着迷的原因在于,量子力学可将以前的不可能变为可能。”

量子纠缠是量子力学中最神奇的现象之一。当两种粒子(如原子、光子或电子)产生量子缠绕,它们之间会形成一种无法解释的联系——即使二者远在宇宙两端,产生量子纠缠后,粒子行为开始彼此联系。例如,当一个粒子在某一方向上自旋,另一粒子会瞬间改变其自旋方向。包括Kumar在内的很多学者,均对量子纠缠的应用(如量子通信)有极大兴趣。量子通信无需依赖电缆或电线,可用于发送加密信息或构筑迅捷的“量子互联网”。

“科学家们试图让大量的原子或光子产生量子纠缠,用于开发可用于量子机器制造的基质。”Kumar说道,“我们实验室的工作是研究是否可以用生物基质制造这类机器。”研究中,Kumar的团队使用了一种绿色荧光蛋白,该蛋白除与生物发光有关外,还广泛用于生物制药。Kumar等将藻类置于自发的四波混频2下,尝试使其筒状蛋白质结构中,由荧光分子发出的光子产生量子纠缠。经过大量试验,Kumar团队成功演示了光子对之间的偏振纠缠。这与用于制作3D眼镜的偏振3类似。波可以在任意角度振动,Kumar演示的光子对偏振纠缠意味着光波的振动方向是相互联系的。此外,Kumar还发现环绕荧光分子的筒状结构对纠缠现象有保护作用。

“当我们观测到一个粒子处于垂直偏振时,我们也知道有另外一个粒子也同样处于垂直偏振。”Kumar解释道,“如果我们观测到一个粒子处于水平偏振,那么也能预测其他粒子的水平偏振。换句话说,我们创造了一种同时关联所有可能性的纠缠态。”

如今,Kumar团队已证实了可以创建生物粒子的量子纠缠。接下来,他们计划制造纠缠粒子的生物基质,进而评估其性能是否比合成基质更加优秀。

科界原创

编译:雷鑫宇  编辑:张梦  程建兰

来源:www.sciencedaily.com

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