11 月 1 日，維也納量子科技中心的物理學家 Markus Arndt 團隊首次證明了短桿菌肽的分子干擾，這是一種 15 個氨基酸長度的來自土壤的天然抗生素，其質量為 1882 個原子質量單位，即 3.13 × 10−24千克。這個研究發表在預印本 arXiv 上。

圖 | 短桿菌肽的量子效應。（來源：Markus Arndt）

該研究的意義在於，這是一項生物大分子的量子特性研究，在此研究基礎上再進一步，DNA、蛋白酶的量子特性有望被證實，薛定諤細菌或可被實錘敲定。

量子效應實證再進一步

量子力學的一個重要概念是波粒二象性，是說微小粒子會表現出既像粒子又像波的特徵。雙縫實驗就是一個典型實證：單個粒子（如電子、光子）會同時穿過兩個縫隙，表現出波特有的干涉現象。

事實上，物理學家推論稱，所有物體都具有或多或少的量子效應，也都有自身的波長。那麼，在更為敏感的試驗背景下，比粒子更大尺度的宏觀物體也應表現出波粒二象性。

在 1999 年，Markus Arndt 作為第一作者在 Nature 發表研究證明了富勒烯分子（C60）的波粒二象性，這是一個革命性的突破。問題來了，能否在生物大分子尺度上證明波粒二象性？

維也納大學的實驗很簡單，製作單個的短桿菌肽分子，檢測其自身干涉圖像。事實上這並非易事。因為這樣的單個分子很容易破碎。

圖 | Markus Arndt 實驗原理圖。（來源：Markus Arndt）

研究人員在玻璃碳輪塗上薄薄的一層短桿菌肽，然後向輪子發射一組短的激光脈衝，可將短桿菌肽分子衝擊下來。這個脈衝只有 293 飛秒的長度，這樣能保證將大分子驅離輪子表面又不損傷其自身。之後，這些自由漂浮的大分子被裹挾到每秒 600 米的氬原子束中，這裡的短桿菌肽大分子波長為 350 飛米（1 飛米為 1x10-15 米）。

最後一步也是最難的一步，即檢測波自身的干涉。短桿菌肽的波長大約是其本身波長的千分之一，研究人員使用了一種名為 Talbot-Lau 的干涉檢測技術。

結果顯而易見，短桿菌肽的相干長度超出了其分子大小的 20 倍以上。

Markus Arndt團隊專注於大分子的干涉檢測。今年9月23日，《自然-物理學》（Nature Physics ）發表了Markus Arndt團隊論文《超過25 千道爾頓分子的量子疊加》。研究是關於一種含有超過2000個原子的大分子，全氟烷基官能化的卟啉低聚物衍生物，因為原子由質子、中子和電子構成，所以這個大分子包含了超過4萬個粒子。這個大分子並非天然分子，而是由科學家設計、合成而來，目的是製造一種高分子量、低電子極化率和粘性的大分子。

本論文第一作者 Armin Shayeghi 是維也納量子科學與技術中心莉澤·邁特納（Lise Meitner）研究員，他於 2015 年獲得達姆施塔特工業大學愛德華·辛特爾研究所的物理化學博士學位。

亞原子世界是反直覺的，電子和光子等粒子同時表現為粒子和波，同時佔據多個位置和狀態，並能穿過看似不可穿透的勢壘。基於此，謝菲爾德大學的學者檢測到光子和細菌之間發生了量子糾纏。數百個光合細菌被置於兩面相距不到 1 微米的鏡子之間，然後用白光照射微生物浮動的空隙，再移動鏡子來調節白光在細胞周圍反射的方式。研究證明，這種精妙的裝置使光子與少數細胞中的光合作用結構發生相互作用。

專訪北京理工大學物理學院量子技術研究中心準聘教授尹璋琦

DeepTech：如何評價維也納大學這個工作？

尹璋琦：Markus Arndt 是這個工作的指導教授，他過去 20 年一直在做有機大分子的物質波干涉實驗。比如說 1999 年，用 C60 分子做出了物質波干涉。所以，他能做出這個實驗完全是意料之中的。

他的研究是在室溫溫度下進行的。室溫下通常分子量子效應很小，所以要精確設計實驗，挑選出速度在 600 米每秒附近的分子，這些分子運動的量子相干長度比分子的物質波波長要長几十倍，實驗上才能看到雙縫干涉。因為隨著分子的尺度越來越大，物質波會越來越小，它維持相干的時間會越來越短。

Markus Arndt 的實驗可以理解為就是雙縫干涉，基本原理上是一樣的，但他的任何一個實驗都很難。

DeepTech：這樣的研究有什麼用嗎？

尹璋琦：還是有一些應用的。維也納大學的論文提到，這種物質波作為一種量子的檢測手段，能夠更精準、更靈敏地檢測分子。

DeepTech：他們要回答的是什麼問題？

尹璋琦：他要追問的是，所謂的經典世界和量子世界的分隔點到底在哪？本質上他是為了解答薛定諤的貓悖論問題，只是他現在先從簡單的小分子開始，在生物大分子之後再就是病毒這類比較複雜的微生物，只能一步一步來。

DeepTech：那麼他能不能一下子跳到病毒、細菌這樣的尺度上來做實驗？

尹璋琦：太難了，至少 Markus Arndt 這條技術路線上肯定不是那麼容易了，你想他 1999 年做了 60 個原子的 C60 量子效應，到今年做到 2000 個原子大小的，20 年間也才將分子大小提高几十倍，而病毒、細菌包含的原子數目是個天文數字。

再往大了做，比如說 2016 年我與普渡大學李統藏教授合作提出的，可以製備機械振子上細菌的任意量子疊加態，以及兩個機械振子之間的量子糾纏態。把冷凍的具有生物活性的細菌放到冷卻到量子基態的薄膜表面，靠分子間的範德瓦爾斯力粘住，隨著薄膜冷卻，細菌也就到量子基態。薄膜振子直徑大概有 15 個微米，厚度大概是 100 個納米上下。由於薄膜振子質量比細菌質量高很多，沾上細菌後薄膜的振動特性不會有顯著變化，那麼原來那個實驗怎麼做還是怎麼做。這樣等於是細菌本身也進入了量子疊加或者兩次干涉的效應。

我們的研究表明，薛定諤貓雖然很遙遠，但薛定諤的細菌並不遠，生命體的量子疊加態近在眼前。

DeepTech：這個如何實現呢？

尹璋琦：我們做理論的，我們自己沒有辦法做實驗。

《科學美國人》2018 年 7 月的一篇專題報道，介紹了荷蘭代爾夫特理工大學 Simon Gröblacher 教授的一個實驗設想，把尺度在幾十微米的水熊放到微納米薄膜振子上，在超低溫和高真空中，冷卻薄膜振子，把生物體水熊製備到量子疊加態。

這個想法其實就是我們前幾年在 Science Bulletin 上發表的理論方案的變種。雖然這個專題報道並沒有提及我們的這個理論方案，但我還是很高興，能看到這個理論想法被一流的實驗組看到並改進。Simon Gröblacher 教授最近幾年完成了微米尺度的薄膜振子的量子糾纏態製備和相應的 Bell 不等式驗證。他們也許是做生命體的量子疊加態、量子糾纏態的最有希望的實驗組之一。

尹璋琦簡介

尹璋琦，北京理工大學物理學院量子技術研究中心準聘教授。2009 在西安交通大學應用物理系獲物理博士學位。在今年加入北京理工大學之前，曾先後在中科院武漢物理與數學研究所、中國科學技術大學和清華大學交叉信息研究院工作。2012 年與人合作提出用囚禁離子實現一種新的“時空晶體”的實驗方案，論文發表在 Phys. Rev. Lett 上，並被選為封面文章和編輯推薦。2016 年，與人合作提出了製備細菌的量子疊加態、量子糾纏態和實現細菌之間量子隱形傳態的實驗方案，得到了國際媒體的廣泛報道。2018 年，在 IBM 量子云計算平臺上首次實現了 16 個量子比特的完全糾纏，被數十家國外媒體報道。

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