在科幻電視劇《星際迷航》中，能夠遠(yuǎn)距離傳輸宇航員的傳輸儀讓人印象深刻。在最近一項(xiàng)研究中，美國(guó)普渡大學(xué)李統(tǒng)藏教授和清華大學(xué)尹璋琦博士提出把低溫冷凍的微生物放在一個(gè)電機(jī)械振子上來(lái)制備活體生物的量子疊加態(tài)，并實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部狀態(tài)和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的量子隱形傳態(tài)。

據(jù)西班牙《阿貝賽報(bào)》1月27日?qǐng)?bào)道，一支由美國(guó)普渡大學(xué)和中國(guó)清華大學(xué)的研究人員共同組成的科研團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)出了迄今為止首個(gè)傳送活體微生物內(nèi)部量子態(tài)的計(jì)劃。在尋找傳送活人的方法的過(guò)程中，這項(xiàng)研究是一個(gè)重要的進(jìn)展。

研究員李統(tǒng)藏和尹璋琦提出的方法是使用機(jī)電振蕩器和超導(dǎo)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)宏偉的目標(biāo)。在此次研究中，李統(tǒng)藏和尹璋琦提出，把一個(gè)細(xì)菌放到一個(gè)連接在超導(dǎo)電路里的機(jī)電振蕩器上，以獲得該生物內(nèi)部的超導(dǎo)量子態(tài)，并在隨后傳送該量子態(tài)。首先，實(shí)驗(yàn)選擇的細(xì)菌比振蕩器的薄膜小得多，因此不會(huì)影響到振蕩器的運(yùn)行。在細(xì)菌和薄膜都呈現(xiàn)出量子態(tài)后，該量子態(tài)可以通過(guò)微波超導(dǎo)電路傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的另一個(gè)生物身上。

如果這個(gè)微生物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于振子，它不會(huì)對(duì)振子的性質(zhì)和量子操控造成顯著影響。這個(gè)微生物可以和振子共同冷卻到量子基態(tài)并制備到疊加態(tài)。利用一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)梯度，微生物的內(nèi)部狀態(tài)（比如甘氨酸自由基的電子自旋）可以和微生物的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)糾纏，并被量子隱形傳態(tài)到另外一個(gè)微生物。因?yàn)槲⑸锏膬?nèi)部狀態(tài)包含信息，這個(gè)方案能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微生物之間信息和記憶的量子隱形傳態(tài)。這項(xiàng)研究還討論了一個(gè)達(dá)到量子極限的磁共振力學(xué)顯微鏡方案。

研究人員還表示，他們計(jì)劃創(chuàng)造一個(gè)“薛定諤的貓”理論所闡釋的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，一個(gè)微生物可以在同一時(shí)間身處兩地。

1935年，奧地利物理學(xué)家薛定諤提出了一個(gè)假想實(shí)驗(yàn)，其內(nèi)容是：把一只貓關(guān)在一個(gè)盒子里，盒子里還有裝著毒氣的容器和包含一顆放射性粒子的實(shí)驗(yàn)裝置，這顆粒子在一定的時(shí)間內(nèi)有50%的可能會(huì)衰變。粒子衰變后，毒氣就會(huì)被釋放出來(lái)，而那只貓就一定會(huì)死。在指定的時(shí)間過(guò)去后，有50%的可能會(huì)發(fā)現(xiàn)粒子已衰變、貓已死亡，也有50%的可能會(huì)發(fā)現(xiàn)粒子未衰變、貓還活著。用量子物理學(xué)的語(yǔ)言說(shuō)，貓?zhí)幱谏蛩肋@兩種可能狀態(tài)的疊加態(tài)，只有在打開盒子的那一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。在打開盒子之前，我們可以說(shuō)貓同時(shí)處于生與死的兩種狀態(tài)。只有通過(guò)打開盒子，我們才能改變這種疊加態(tài)，并確認(rèn)兩種可能性中的一種。

薛定諤的貓

報(bào)道稱，薛定諤的理論第一次向公眾揭示了量子力學(xué)的深?yuàn)W矛盾。在量子力學(xué)的王國(guó)里，各種粒子經(jīng)常處于疊加態(tài)，這對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)也是家常便飯，他們必須習(xí)慣于種種“不可能的”現(xiàn)實(shí)，比如有的電子可以同時(shí)存在于多個(gè)地點(diǎn)，有的粒子相互之間無(wú)論距離多遠(yuǎn)都可以立即連通在一起，還有的粒子甚至能夠進(jìn)行時(shí)間旅行。從薛定諤的假想實(shí)驗(yàn)出發(fā)，物理學(xué)家們已經(jīng)努力進(jìn)行了數(shù)十年的研究，試圖了解這些量子宇宙中的奇特定律是否也可以轉(zhuǎn)移到宏觀世界中來(lái)。畢竟，我們自己和我們周圍的一切都是由粒子構(gòu)成的。

尹璋琦

微生物的量子隱形傳態(tài)示意圖。利用隱形傳態(tài)能夠把振子1中微生物內(nèi)部自旋S1的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到振子2中微生物內(nèi)部自旋S2中。相關(guān)論文 “Quantum superposition, entanglement, and state teleportation of a microorganism on an electromechanical oscillator” 發(fā)表在Science Bulletin（《科學(xué)通報(bào)》英文版）2016年第2期上。

當(dāng)然，科學(xué)家目前已經(jīng)取得了許多重要進(jìn)展。在過(guò)去20年中，多支科研團(tuán)隊(duì)在傳送量子態(tài)方面取得了越來(lái)越好的結(jié)果。

但是，還沒(méi)有人成功傳送過(guò)活體生物，所有已完成的實(shí)驗(yàn)距離成功傳送生物或生物的量子態(tài)依然十分遙遠(yuǎn)。

李統(tǒng)藏說(shuō)：“我們提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，能夠讓一個(gè)微生物同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方(量子疊加態(tài))。同時(shí)，我們還提供了一個(gè)傳送完整生物體量子態(tài)的方式。我希望我們的研究能夠啟發(fā)其他研究者，使他們認(rèn)真思考微生物量子傳送的可能性，及該問(wèn)題未來(lái)的種種可能。”尹璋琦指出：“我們的工作對(duì)于研究生物體內(nèi)部生化活動(dòng)對(duì)量子疊加態(tài)塌縮的影響也具有重要的參考價(jià)值”。

該項(xiàng)研究得到了美國(guó)普渡大學(xué)的啟動(dòng)基金、中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃和自然科學(xué)基金委項(xiàng)目資助。