生命，在這個世界中無處不在，它們能適應不同的環境，在宏觀和微觀尺度中存在；量子效應卻似乎站在相反的一面：脆弱，通常在微觀尺度、極低的溫度下才能出現，一旦受到擾動便會消失。

現在，這兩個看似對立的概念，卻被聯繫到了一起。新加坡南洋理工大學的科學家在最新論文中指出，一隻水熊蟲成為首個進入量子態的動物。不過，事實真的如此嗎？

上世紀20年代，量子力學的誕生徹底改變了現代科學。其中，量子糾纏無疑是一個核心概念。當兩個或多個物體處於糾纏態，它們之間就形成了某種神秘的聯繫：無論相距多遠，當一個物體的性質發生變化，另一個物體也會同時發生變化。這種效應被愛因斯坦稱作“鬼魅般的超距作用”。

通常而言，糾纏的物體都是微觀世界的粒子。但近些年來，科學家也在拓展糾纏的範圍，試圖尋找量子糾纏的邊界。今年5月，一項發表於《科學》的研究就首次直接觀測到宏觀物體的量子糾纏——研究團隊讓兩張長20微米的鋁片進入了糾纏態。相比於微觀粒子，這已經是個很大的突破，但這個還不如頭髮絲粗的物體，顯然不是科學家的終極目標。

另一方面，物理學家與生物學家也在探索：生命和量子糾纏有著怎樣的關係？

最近數十年，物理學家與生物學家在一個名為“量子生物學”的交叉學科中建立了密切的聯繫，並且他們已經取得了不少突破：例如，鳥類的磁感應、植物的光合作用就被一些研究認為與量子效應有關。而另一些科學家的目標，則是直接將完整的生命個體送入糾纏態。

2018年，牛津大學的研究團隊在一篇發表於Journal of Physics Communications的論文中表示，他們實現了光合硫細菌與光子之間的糾纏。按照他們的說法，這項研究向著“薛定諤的細菌”邁出了一大步。不過需要指出的是，對於這一結論以及實驗中使用的觀測方法，仍然存在一些爭議。

儘管如此，這項在單細胞生物身上取得的突破，還是激勵著一些雄心勃勃的科學家更進一步，他們希望在更複雜的多細胞生物身上實現量子糾纏。而首個實驗對象，就是水熊蟲。

在動物分類中，水熊蟲屬於緩步動物門，它們也被很多人稱作“地表最強生物”。人們已經發現，這類生物有著令人咋舌的生存能力。在極端條件下，它們可以進入一種隱生狀態，通過冷凍或脫水將代謝活動降至最低；待到條件合適，再恢復活力。它們能忍受150℃的高溫與接近絕對零度的極端低溫，能承受超過7萬個大氣壓，能暴露在紫外線輻射下……它們還被以色列的“創世紀”號著陸器帶上了月球——不過著陸器不幸墜毀，這些動物也生死未卜。

因此，水熊蟲較小的體型和在不同環境（尤其是接近絕對零度的低溫）下的強大生存能力，使得它們成為打造“量子動物”的不二選擇。

在最新研究中，作者試圖檢測水熊蟲這種的多細胞生物能否進入量子態。他們收集了3只體長在0.2~0.45毫米之間的水熊蟲，將它們凍結後，這些動物的體型縮小至最初的三分之一。隨後他們進一步降溫至10豪開爾文，已經無比接近於絕對零度；而壓強只有大氣壓的百萬分之一。即使對水熊蟲來說，這也是它們經歷過的極限生存環境。

接下來，研究團隊將這3只凍結的水熊蟲分別放在超導電路的兩塊電容板之間。這時，這個電路就形成了一個量子比特（如下圖所示的量子比特B）。當水熊蟲接觸到量子比特B的電容板，量子比特B的共振頻率會改變。量子比特B與周圍的量子比特A通過電容器耦合在一起，因此這兩個量子比特處於糾纏態。經過幾次測試，研究團隊注意到兩個量子比特和水熊蟲的頻率是串聯變化的，說明這是一個由三部分組成的糾纏系統。

最終，在進入凍結狀態後的第17天，研究人員給這3只水熊蟲緩慢升溫，試圖喚醒它們。結果其中一隻倖存並恢復活力，這只倖存者也被研究者稱為“第一隻實現量子糾纏的動物”。

作者在論文中寫道：“儘管人們可能說，與水熊蟲組成相近的非生物物體也能產生類似的結果，但我們要強調的是，我們是在一個完整的生命體身上觀察到了量子糾纏，並且實驗後它的生命功能還得以保留。”

不過，這篇尚未接受同行評議的論文在公開之後，也遭到了不少質疑與批評。而質疑的原因也非常直接：這個實驗根本無法證明水熊蟲進入了量子態。

一些科學家認為，水熊蟲與量子比特之間或者是與量子效應無關的經典作用，或者壓根沒有出現相互作用，而只是將凍結脫水的水熊蟲放在量子比特上。

“將水熊蟲放在量子比特這個電路旁，兩者間的作用是通過我們已經了解了150多年的電磁感應實現的。如果是將一粒灰塵放在量子比特旁，也能產生類似的效應。” 物理學家Ben Brubaker這樣評價這項實驗。

萊斯大學物理和天文學院的院長Douglas Natelson教授也表示：“作者只是將水熊蟲放在一對耦合的量子比特之一的電容板上，這只水熊蟲就像是凍結的水，如同一個絕緣體，改變了它所處的量子比特的共振頻率……這完全不是量子糾纏。”

這只水熊蟲究竟是否進入了糾纏態，或許還需要等待同行評議的結果，以及更多科學家的進一步探討。但至少，它們又一次在極端環境中證明了自己的生命力。未來，無論是尋找通往量子世界的橋樑，還是作為深空旅行的急先鋒，相信這種神奇的動物都會無數次與人類共同書寫歷史。

參考資料：

[1] K。 S。 Lee等人，超導量子比特和緩步動物之間的糾纏。 https：//arxiv.org/pdf/2112.07978.pdf

[2] 研究人員稱，冰凍的緩步動物成為歷史上第一個“量子糾纏”動物。 2021 年 12 月 21 日來自 https://www.livescience.com/tardigrade-quantum-entangled-experiment

[3] 緩步動物“微型動物”如何與超導量子比特發生量子糾纏。檢索於 2021 年 12 月 22 日來自 https://www.discovermagazine.com/the-sciences/how-a-tardigrade-micro-animal-became-quantum -與超導糾纏

[4] Schokraie E，Warnken U，Hotz-Wagenblatt A，Grohme MA，Hengherr S，et al。（2012）Milnesium tardigradum 處於早期胚胎狀態與處於活性和無水生物狀態的成蟲的比較蛋白質組分析。PLoS ONE 7（9） ： e45682。 doi：10.1371/journal.pone.0045682