Wissenschaftler versuchten, ein Bärtierchen durch Quantenverschränkung zu verschränken
Eine Gruppe von Physikern platzierte kürzlich ein mikroskopisch kleines Tier namens Bärtierchen auf einem supraleitenden Qubit, um die Bereiche der Quantenmechanik und der klassischen Mechanik zu vermischen. Die Forscher argumentieren, dass das Bärtierchen auf Quantenebene verschränkt war, aber einige Wissenschaftler sagen, dass die Behauptungen des Teams über das hinausgehen, was sie tatsächlich erreicht haben.
Die Ergebnisse werden nicht in einer Zeitschrift veröffentlicht, sondern derzeit auf dem Preprint-Server arXiv gehostet.
„Ich finde es sehr cool, über die Verbindung von Quantendingen und Biologie nachzudenken. Aber mit dem richtigen Anspruch“, sagte Claire Aiello, Quanteningenieurin an der UCLA, in einem Telefonat. „Ich glaube nicht, dass das Experiment als Quantenbiologie qualifiziert werden kann.“ Auf Twitter äußerte der Physiker Ben Brubaker ähnliche Kritik .
Quantenverschränkung ist das Phänomen, dass zwei oder mehr Teilchen die Eigenschaften voneinander definieren. Quantenverschränkte Teilchen sind voneinander abhängig – wenn man etwas über ein Teilchen weiß, sagt man etwas über das andere aus – und das würde auch dann gelten, wenn die Teilchen Milliarden von Kilometern voneinander entfernt wären. Verschränkung geschieht auf natürliche Weise, aber damit Menschen sie beobachten und die Quantenmechanik besser verstehen können, muss sie in Laborumgebungen induziert werden.
Ein Bärtierchen, auch Wasserbär oder Moosferkel genannt, ist ein winziges Tier, das wie eine Kreuzung zwischen einer Raupe und dem Michelin-Männchen aussieht. Bärtierchen sind Extremophile , was bedeutet, dass sie Umgebungen standhalten und sogar gedeihen können, die die meisten Organismen nicht können, einschließlich des Vakuums des Weltraums .
Die in Singapur, Dänemark und Polen ansässigen Forscher wählten ein Bärtierchen für den Verwicklungsversuch aus, da es in der Lage ist, in einen langen Winterschlaf zu gehen, um Dingen wie sengender Hitze, eisiger Kälte, außergewöhnlich hohen Drücken und hoher ionisierender Strahlung standzuhalten. Dieser Winterschlaf wird Kryptobiose genannt; Das Tier trocknet aus, gibt die Feuchtigkeit aus seinem Körper ab und wird nur wiederbelebt, wenn die Bedingungen besser zu handhaben sind.
„Das Hauptproblem ist, dass Systeme, die wir auf Quantenebene gut kontrollieren können, gut von der Umgebung isoliert und bei sehr niedrigen Energien, also extrem kalt sind“, sagt Studien-Co-Autor Rainer Dumke, Physiker an der Nanyang Technological University in Singapur, in einer E-Mail. „Wir mussten das richtige Quantensystem finden, aber auch eine passende Lebensform.“
Das Team versetzte seine lebenden Versuchstiere ( Ramazzottius varieornatus, 2018 aus einer dänischen Dachrinne gesammelt) in Kryptobiose. Sobald sie in diesem Zustand waren, platzierten die Forscher die Bärtierchen (eines in jedem Versuchslauf) auf einem supraleitenden Qubit – einem Quantenbit, das im Gegensatz zu einem normalen Computerbit gleichzeitig 0 oder 1 darstellen kann. Sie berichteten, dass die Bärtierchen mit dem Qubit gekoppelt waren, basierend auf einer Änderung der Resonanzfrequenz des Systems (der Frequenz, die ein Objekt natürlich am meisten angeregt vibriert), und postulieren, dass das kombinierte Bärtierchen-Qubit-System mit einem zweiten, benachbarten Qubit verschränkt war. Diese Qubits saßen Seite an Seite auf einem größeren Siliziumchip.
Aber externe Wissenschaftler waren skeptisch, dass das Experiment wirklich Quantenverschränkung zeigte. Douglas Natelson, ein Physiker an der Rice University in Texas, schrieb in einem Blogbeitrag, dass die Änderung der Resonanzfrequenz „keine Verschränkung in irgendeinem sinnvollen Sinne“ sei und dass „das Bärtierchen nicht mehr mit den Qubits verschränkt ist als der darunter liegende Siliziumchip .“
Aiello sagte, dass die Quantenbiologie die „endogenen quantenmechanischen Freiheitsgrade misst, die in der Biologie existieren“; mit anderen Worten, die interne Dynamik, die das Quantenverhalten in Lebewesen definiert. (Zum Beispiel glauben einige Forscher, dass Vögel Quantenmechanik verwenden um die Magnetfelder zu sehen, die ihnen beim Navigieren helfen.) Laut Aiello hat das jüngste Forschungsteam dies nicht getan. Stattdessen stellten sie eine Änderung der Resonanzfrequenz des Qubits fest, auf dem das Bärtierchen platziert war, maßen jedoch keine Eigenschaften des Bärtierchens unabhängig von seiner Wechselwirkung mit dem Qubit. Dem Experiment fehlte ein Maß, das bestätigen würde, dass eine Verschränkung im Gegensatz zu einem anderen Effekt stattfand, sagte Aiello. Sie argumentierte, dass der Titel des Artikels – „Verschränkung zwischen supraleitenden Qubits und einem Bärtierchen“ – irreführend sei und dass die Wechselwirkung zwischen dem Bärtierchen und dem Qubit eher ein klassischer als ein Quanteneffekt gewesen sein könnte.
„Einer der Kritikpunkte war, dass wir keine nützliche Verschränkung produziert haben, die zum Beispiel für Computer genutzt werden kann“, sagte Dumke. „Das stimmt, denn wir können das Bärtierchensystem nicht allein vermessen, sondern nur das gekoppelte System.“ Er fügte hinzu, dass die Messung des Bärtierchens allein „über unsere derzeitigen technologischen Möglichkeiten hinausgeht, aber sicherlich etwas, was wir in Zukunft versuchen werden.“
Die Quantenverschränkung eines Bärtierchens (das zwar winzig, aber viel größer als ein Atom ist) wäre ein großer Sprung für das Gebiet. Teilchen wie Photonen und Atome werden regelmäßig verschränkt, aber größer zu werden, ist eine ständige Herausforderung . Im Jahr 2007 gab es eine Welle der Aufregung über die Möglichkeit, dass die Photosynthese das Ergebnis von Quantenphänomenen ist, aber eine Studie aus dem Jahr 2020 postulierte, dass dies wahrscheinlich nicht der Fall sei. Davor zeigten Bakterien Hinweise auf Quantenverhalten . Aber trotzdem hat noch keine Arbeit Quantensysteme demonstriert, die auf solch makroskopischen Skalen arbeiten.
