物理学者首次提出量子隔空传输生命体的记忆
在科幻电视剧《星际迷航》中，能够远距离传输宇航员的传输仪让人印象深刻。在最近一项研究中, 美国普渡大学李统藏教授和清华大学尹璋琦博士提出把低温冷冻的微生物放在一个电机械振子上来制备活体生物的量子叠加态, 并实现其内部状态和质心运动的量子隐形传态。
微生物的量子隐形传态示意图。利用隐形传态能够把振子1中微生物内部自旋S1的状态转移到振子2中微生物内部自旋S2中。
相关论文 “Quantum superposition, entanglement, and state teleportation of a microorganism on an electromechanical oscillator” 发表在Science Bulletin（《科学通报》英文版）2016年第2期上。
1935年，薛定谔提出了能够让一只猫处于既是生又是死的叠加态的思想实验。这个“薛定谔猫”展示的量子力学的奇异特性引发了人们广泛的关注。为了研究宏观量子现象，人们在实验上逐步实现电子、原子、多原子分子（比如碳60）的量子干涉, 并实现了对介观光力学系统的量子基态冷却和叠加态制备。比如, 美国的一个研究小组已经把一个直径15微米的电机械薄膜振子的质心运动冷却到量子基态, 并和微波光子纠缠。 但是,目前实验上还没有实现生物体整体的量子叠加态。另一方面, 自从1997人们首次实现单光子的量子隐形传态以来，量子隐形传态取得了很多突破。目前人们已经利用原子、离子和超导电路实现量子隐形传态。2015年, 中国科技大学实现了单光子多自由度的量子隐形传态。但是, 目前的实验离实现生物体的量子隐形传态还非常遥远。
在这项最新研究中，李统藏和尹璋琦提出把一个微生物（比如细菌）放在电机械薄膜振子上面来实现生物体的量子态叠加和量子隐形传态。如果这个微生物的质量远小于振子，它不会对振子的性质和量子操控造成显著影响。这个微生物可以和振子共同冷却到量子基态并制备到叠加态。利用一个强磁场梯度，微生物的内部状态（比如甘氨酸自由基的电子自旋）可以和微生物的质心运动纠缠，并被量子隐形传态到另外一个微生物。因为微生物的内部状态包含信息，这个方案能实现两个微生物之间信息和记忆的量子隐形传态。这项研究还讨论了一个达到量子极限的磁共振力学显微镜方案。
李统藏指出: “我们提出了一个让活体微生物同时处在两个不同位置(量子叠加态)的实验方案, 并为将来实现生物体的量子隐形传态提供了思路。” 尹璋琦指出: “我们的工作对于研究生物体内部生化活动对量子叠加态塌缩的影响也具有重要的参考价值”。
该项研究得到了美国普渡大学的启动基金、中国国家重点基础研究发展计划和自然科学基金委项目资助。
