研究人员证实生物系统中存在量子力学效应

▲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。

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编译：雷鑫宇  编辑：张梦  程建兰

来源：www.sciencedaily.com