Тихоходка: первый многоклеточный организм, подвергшийся квантовому запутыванию
Исследователям из Наньянского технологического университета в Сингапуре только что удалось провести почти невероятный эксперимент: квантовая запутанность тихоходки со сверхпроводящим кубитом! Этот подвиг знаменует собой первый случай, когда многоклеточный организм был подвергнут такому квантовому явлению. В последнем эксперименте животное даже выжило в навязанных ему экстремальных условиях. Да, выбор тихоходки для этого исследования, конечно, не случаен.
Квантовая запутанность — это явление в квантовой механике, которое и по сей день остается частично непонятым, при котором две частицы (или группы частиц) образуют связанную систему. Таким образом, каким бы ни было расстояние между ними, их квантовые состояния (1, 0 или оба одновременно) связаны. В этом так называемом «запутанном состоянии» существуют корреляции между физическими свойствами двух частиц.
Тихоходок больше не нужно представлять, но небольшое напоминание всегда может быть полезно … Эти очаровательные существа, которых также называют «водяными медведями» из-за их забавной внешности, особенно известны своей невероятной стойкостью, способными выжить в экстремальных условиях, температуры и давления, и даже в вакууме. По всем этим причинам эти микроскопические животные вполне могли стать первыми межзвездными путешественниками.
Один из секретов этой безупречной устойчивости тихоходок — их способность входить в состояние крайнего ангидробиоза, иногда называемое «спячкой», которое они готовятся путем почти полного высыхания (путем удаления до 95% воды). Тот факт, что эти существа могут переносить такие экстремальные условия, предполагает, что их сопротивление является результатом полной остановки их метаболических процессов. В результате тихоходки стали, по мнению Райнера Думке (ведущего автора исследования) и его коллег, идеальными кандидатами на то, чтобы потенциально стать первыми многоклеточными организмами, которые выдержали квантовую запутанность.
Квантовая запутанность живых существ: вызов за пределами нашего понимания
Для эксперимента исследователи поместили тихоходку (вида Ramazzottius varieornatus) в состояние «спячки» между двумя сверхпроводящими кубитами (эквивалент бита в классических вычислениях). Животное было связано сверхпроводящим переходом с зарядовым кубитом (кубит B). Второй кубит (кубит A) был связан только емкостью (конденсатором) с кубитом B.
После того как элементы эксперимента оказались на своих местах, они снизили давление и температуру до тех пор, пока не получили почти идеальный вакуум и почти абсолютный ноль (-273,15 °C — это температура абсолютного нуля, то есть 0 K), тем самым уменьшив любые внешнее воздействие (возбуждение) на кубиты и тихоходку. Это химически «замороженное» состояние позволило описать и обработать всю систему в терминах физики, без необходимости рассматривать биологический аспект тихоходки.
Чтобы определить, было ли достигнуто состояние запутанности между тихоходкой и кубитом, исследователи измерили частоту, на которой вибрировала комбинация тихоходка-кубит. Результат: расчеты (основанные на измерениях) имели смысл только в том случае, если два объекта считались находящимися в состоянии квантовой запутанности. Фактически, можно сказать, что две частицы запутаны, когда одна из них не может быть идеально описана без включения информации о другой, что и произошло в данном случае.
Таким образом, исследователи смогли подтвердить достижение состояния запутанности, впервые в истории связав в определенной степени физические свойства квантового бита и многоклеточного организма. Подробности эксперимента были опубликованы на сервере предварительной публикации arXiv.
После проведения измерений исследователи медленно сбросили давление и нагрели тихоходку, выводя ее из состояния спячки и возвращая к жизни. Но рекорды, установленные этой супер тихоходкой, на этом не заканчиваются: рассматриваемая температура (которая была лишь на 0,01 °C выше абсолютного нуля) является самой низкой, которую когда-либо выживал тихоходка! Однако следует отметить, что эта тихоходка была третьим кандидатом, прошедшим эксперимент, первые два не выжили из-за слишком быстрого нагрева.
По словам исследователей нового исследования, этот эксперимент показывает, что животное действительно находилось в аметаболическом состоянии, поскольку любой активный химический процесс не позволил бы осуществить квантовую запутанность. Тем не менее остановка метаболизма тихоходок все еще обсуждается в специализированном научном сообществе, при этом некоторые утверждают, что в состоянии спячки по-прежнему сохраняется более низкая метаболическая активность.
Хотя тихоходка, безусловно, была жива до и после запутывания, спорным моментом является то, была ли она жива во время, и как именно она запуталась. Более того, по словам исследователей, в такого рода экспериментах никогда не ясно, какая часть организма на самом деле вовлечена в запутывание. Несмотря на эти технические препятствия, Райнер Думке и его команда надеются в будущем запутать другие формы жизни.