自然界量子的演變，可能會改變量子技術

2020-10-18 天文物理

英國華威大學(University of Warwick)物理學家開發了一種新的測試方法，以確定利用量子力學能量的能力在自然界是如何演變的。該測試識別了量子相干性的一個特徵，對與真實環境相互作用的量子態粒子的性質進行了分類。這項測試應該能讓科學家利用實驗室實驗量化和追蹤自然界的量子相干性。發表在《物理評論A》(Physical Review A)上的這項理論工作研究，可能會帶來一些實驗，幫助解決生物過程是否利用量子力學為其優勢，以及演變是否能為計算機、傳感器和能源等量子技術提供模板的爭論。微觀粒子在量子態中很難被發現，因為觀察它們的行為改變了它們的狀態。這些隱形粒子可以同時存在於許多位置或構型中，這一特性被稱為量子相干。

博科園-科學科普：這種效應為量子計算機、量子傳感器和量子通信系統等技術提供了支撐，這些技術使用的是與世界其他地區隔離的有序系統。然而，量子相干是否存在於更嘈雜、更混亂的現實世界中，就更難確定了。該測試包括一個破壞量子相干性的過程，然後在以後的測量中觀察變化。在觀測到可測量的大碰撞的地方，科學家們可以證明該系統中一定存在量子相干。

這項新工作澄清了這一結論的可能例外情況，這些例外情況取決於特別程序破壞連貫性的速度有多快。劍橋大學物理系1851年皇家委員會研究員喬治·尼根博士說：要證明生物系統中存在量子相干，將構成一種範式轉變，不再認為只有人類才有能力設計出能夠展示和利用量子相干的系統。

圖片：CC0 Public Domain

這也將是邁向薛丁格貓的思維實驗的一步，在這個實驗中，一個活的有機體被放置在一個狀態，在這個狀態下，量子是連貫的，既有死的也有活的。合著者阿尼什·達塔博士說：這項測試的結果將有助於我們更好地理解化學和生物學的工作原理，並可能讓我們回答量子物理是否在進化過程中發揮了作用的問題。根據量子物理學，一個粒子，例如光合生物體中的一個攜帶能量的粒子，可以在輸入和輸出之間沿著多條不同的路徑運動。粒子所攜帶的能量在其形成後的任何時刻都有可能丟失。如果顆粒更快地朝向其目的地移動，則可以獲得更低的損失機會，並且可以獲得更大的效率。

相干性允許兩種路徑之間的相互幹擾，使粒子在同一時間內平均比在其他情況下走得更遠。這表明，量子效應可能為那些適應利用它們的生物提供了進化優勢。這種可能性是誘人的：如果我們提出的測試是在一個生物系統中進行的，並得到了一個積極的結果，我們或許能夠從大自然中學習量子工程設計原理。然後我們可以嘗試創造仿生技術，這些技術比目前的量子技術更強大，甚至可能更強大，目前的量子技術幾乎完全基於高度隔離的系統。如果我們能夠給人工採光(例如太陽能電池)增壓，就有巨大的潛力提供價格合理的可再生能源。

博科園-科學科普｜研究/來自：華威大學

參考期刊文獻:《物理評論A》(Physical Review A)

DOI: 10.1103/PhysRevA.98.052328

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