最新实验证明了生物系统中的量子力学效应

最新实验证明了生物系统中的量子力学效应

上图左边试管中的绿色物质是负责水母发光的绿色荧光蛋白。图片来源:西北大学

75年前,诺贝尔奖得主物理学家Erwin Schrödinger提出了量子力学的神秘世界是否会发挥生物学的作用。近日西北大学Prem Kumar最近的发现进一步证明了问题的答案可能是肯定的。

Kumar和他的团队首次从生物系统中产生量子纠缠。这一发现将促进科学家对生物学的基本理解,并有可能打开利用生物工具以利用量子力学实现新功能的大门。

“我们可以用量子工具来应用到生物学领域吗?” Kumar说,他是电气工程与计算机科学的教授,目前阿紫西北大学的工程学院和温伯格艺术与科学学院的物理与天文系任职。“许多人已经问了这个问题,很多年以前,都可以追溯到量子力学的刚刚提出的时候。我们之所以对这些新的量子态感兴趣,是因为它们允许我们实现那些看似不可能的应用。”

这部分工作由国防高级研究计划署支持,相关研究成果已于12月5日发表在《自然通讯》杂志上。

量子纠缠是量子力学的一个最神秘的现象。当两个粒子,如原子,光子,或电子纠缠在一起时,它们经历了一个无法解释的联系,即使粒子位于宇宙的相对面上,它们也保持不变。纠缠时,粒子的行为互相束缚。例如,如果一个粒子被发现在一个方向上旋转,那么另一个粒子就会以纠缠的方式以相应的方式瞬间改变其自旋。包括Kumar在内的研究者们一直对利用量子纠缠进行一些应用,包括量子通信感兴趣。因为这些粒子可以不用电线或电缆进行通讯,所以可以用来传送安全的信息,或者帮助建立一个非常快速的“量子互联网”。

“研究人员一直试图使大套原子或光子开发基板上的量子机械设计和建造,“Kumar说。”我的实验室在问我们是否能在生物基质上制造这些机器。”

在这项研究中,Kumar的研究小组使用了绿色荧光蛋白,这些蛋白质负责生物发光,通常用于生物医学研究。团队试图纠缠在海藻的桶暴露他们的自发四波混频型蛋白质结构的荧光分子产生的光子,在这一进程中的多个波长相互作用产生新的波长。

通过一系列的实验,Kumar和他的团队成功地证明了光子对之间的纠缠,称为偏振纠缠。用于制作3D电影的眼镜也具有相同的特性,偏振是光波振荡的方向。波浪可以垂直、水平或不同角度摆动。在Kumar的纠缠对中,光子的偏振纠缠在一起,这意味着光波的振荡方向是相互联系的。Kumar还注意到,筒状结构周围的荧光分子保护的纠缠被破坏。

“当我测量一个粒子的垂直极化时,我们知道它在另一个粒子中是一样的,”他说。“如果我们测量一个粒子的水平极化,我们就可以预测另一个粒子的水平极化。我们创造了一种纠缠状态,所有可能性同时存在。”

现在他们已经证明有可能从生物粒子中产生量子纠缠,下一步Kumar和他的团队计划制造一个可以用来制造量子机器的纠缠粒子的生物基质。然后,他们会试图理解生物底物是否比合成底物更有效。

来源:httpss://phys.org/news/2017-12-quantum-mechanical-effects-biological.html

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