量子隔空传输生物体的记忆


有关生命体的量子叠加态,我已经写了两篇介绍文章了,这将是最后一篇,会聊聊其中所讨论的量子隐形传态(量子隔空传输,teleportation)。顺便说一句,我们的这篇论文已经《科学通报》(英文版)在线发表,编辑还请专家撰写了亮点评述

隔空传物一直以来都只是幻想,《西游记》中车迟国的故事里,虎鹿羊大仙与唐僧师徒斗法比“隔板猜物”时,就出现过这一幕。上个世纪七十年代,美国科幻系列剧《星际迷航》中,宇航员可以借助传输仪从太空飞船中直接传输到星球表面,也可以从星球表面传输回飞船。隔空传物的幻想借助这个科幻电视剧的道具展现在电视观众面前,其冲击力是巨大的。

在电视剧中,传输仪的启动口令是“Energize”,也就是说把人能量化进行传输。时间转到1993年,量子信息刚刚兴起,Bennett等人发现,借助量子纠缠和经典的通讯,我们可以把一个未知的量子态隔空传输到远处,而无需物质粒子发生实际运动。这与隔空传物或者说星际迷航中的传输仪就很像了,不同之处在于,我们无法传输物质,而只能传输信息。这个方法被称为quantum teleportation,量子隐形传态。不久后,在1997年,Zeilinger组就在光子中实现了量子隐形传态的理论设想,中科大潘建伟院士当时是Zeilinger的学生,是论文的第二作者。这个实验被《自然》杂志评选为其二十世纪所发表的最经典的物理论文之一。

过去十几年,人们在原子,金刚石色心,电路量子比特等诸多物理系统中实现了量子隔空传输信息,证明了量子隔空传态可以在固态系统中实现。2015年初,中科大的潘建伟教授与陆朝阳教授组在这里方向又做出了一个重大突破,他们同时把光子的多个自由度的信息给传输走了。考虑到真实生命体内部的粒子都是包含多个自由度的,因此这个实验为未来实现真正的量子隔空传输生命体的内部信息扫除了又一个障碍。这个实验被欧洲的《物理世界》网站评为2015年十大物理突破之首

现在我们可以严肃地研究生命体的量子隔空传输了,但还一个短板需要弥补:目前的实验与理论都没有涉及到活体生命,如何把活体生命的内部信息传输到另外一个生物体内,还没找到途径。我与美国普渡大学李统藏教授研究微生命体量子叠加态时,很快就完成了冷冻活体微生物量子叠加态的方案设计,可是总觉得太简单,没有把这个方案的潜力挖掘干净。经过一番头脑风暴,我们想到了进一步考虑冷冻微生物内部的电子自旋自由度,通过加梯度磁场来实现内外态的耦合、态传递和纠缠,进而实现对内部电子自旋的探测。既然涉及到量子态传递,那么能实现量子隔空传态么?仔细分析了一番,还真的可以。用超导电路系统,可以构成两个遥远微生物之间的量子通道。把微生物的内部自旋与另外一个微生物的运动态纠缠起来,可以作为资源来实现两个微生物的内部自旋状态之间的量子隔空传递。由于自旋包含信息,或者说记忆,这个方案能实现生物体自旋(记忆)的量子隔空传递。我们的论文提出了生物内部信息之间量子隔空传递的方案,为严肃地研究生命体的量子隔空传递扫除了最后一个障碍。

可以看到,”隔空传输”从完全不靠谱的幻想,到量子隐形传输信息的理论与实验验证,再到量子隔空传输生命体内部信息的理论方案,幻想慢慢照进了现实。我们从事物理学研究,不能被思想上的条条框框束缚住,再不靠谱的想法,也不要轻易否定。另外一方面,物理的前沿想法大都漏洞与闪光并存,平衡思想的闪光点与理论模型的缺陷,是最难的。对于我们的这个工作,必须得承认,里面的脑洞开得很大。为了平衡这一点,我们在方案的可行性上下了很大的功夫,并选用现有的得到普遍承认的理论模型进行分析。总之,希望让实验专家读得懂,并激发出他们验证这个方案的激情。

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