自然界是顶级“量子工程师”

　　参考消息网9月12日报道 据英国《新科学家》周刊网站9月8日发表物理学家克拉丽斯·艾洛的文章称，多年来，我都低估了大自然。作为一名量子物理学家，我的兴趣没有扩展到生物学。我着迷于各种粒子和力，而不是细胞和有机体。然后有一天，当我意识到自然是比我更好的量子工程师，一切都变了。

　　当时，我无意间读到有关一种蛋白质的研究文章，这种蛋白质会以一种我认为只有高科技量子实验才可能实现的方式感知磁场。但毫无疑问：这是货真价实的“量子传感”。

　　我已花了数年时间制造仪器来研究和控制电子等小东西的量子特性，目的是将它们用作电子和磁场传感器。这些量子探测器的性能优于比它们大得多的传感器：它们的量子性实际上改善了测量结果。

　　然而，在这里，我看到大自然已远远领先于人类构建的物理世界：“大自然的量子传感器——建立于公元前10亿年！”这怎么可能呢？蛋白质以量子方式行事的观点似乎与我对量子性何时失效、生物学何时接管的认识相悖。

　　一个多世纪前，科学家们就已知道，牛顿运动定律等经典力学规则不适用于原子尺度，在这个尺度上，一套不同的定律——即量子物理学——会接管。用肉眼来看，量子物理学似乎是违反直觉的，有点神奇。例如，在量子世界中，像电子和原子核这样的小物体可以同时出现在两个不同的地方，可以“隧穿”微小的能量壁垒，毫发无损地出现在另一边。

　　但是，随着系统变得较大，比如说，在整个蛋白质或含有数百万蛋白质的溶液的尺度上，这种量子性很快就消失了。经典力学定律能更好地描述宏观世界。那些同时出现在两个不同地方的微小粒子很快将在一个地方安顿下来——就像经典力学理论所预期的那样。

　　然而，越来越多的证据表明，生物学利用量子特性来发挥功能，并对外部刺激做出最佳反应，感知磁场的蛋白质就是这样。

　　这里谈到的蛋白质——同许多其他蛋白质一样——之所以能感知磁场，是因为一种叫做“自旋相关”的化学反应，这涉及到我最偏爱的量子物体——电子，以及我最偏爱的量子特性——自旋。

　　一些化学反应受到特定电子自旋叠加态的影响。由于磁场可以影响这些状态，它也可以影响这些反应的宏观结果。这就是这种蛋白质的工作原理：它利用电子自旋作为量子探测器，与非常微小的磁场相互作用或“感知”这些磁场。它可以在室温下完成这一切，而且还是在包含数百万分子的混乱溶液中——即在一个科学家预计量子性不会长期存在的环境中。

　　我目前正在从事的科学前沿研究涉及这样一种诱人的可能性——即活细胞内的蛋白质会利用量子效应。细胞环境是混乱的，所以任何量子性——比如电子自旋叠加——在其中幸存下来以展示有关过程的可能性不大。

　　然而，尽管还没有决定性证据证明细胞会这样运作，但有相关证据显示，电子自旋相关化学反应的确会改变活细胞的功能。鸟类可以感知地球微弱的磁场，以此引导它们的迁徙。它们似乎是通过一种叫做“隐花色素”的磁敏蛋白来实现的。

　　还有证据显示，弱磁场会在脊椎动物、无脊椎动物、植物和细菌等各种生命形式中引发生理反应。这些效应包括DNA修复率、细胞氧化剂的生成、神经功能和细胞代谢等诸多方面的改变。很多细胞工作机制似乎可以通过弱磁场以量子方式进行调整。

　　所有这些都意味着，量子物理学在生物学中发挥的作用遭到了忽视，而我们对生物学的认识即将发生革命。研究人员和许多企业已在寻找利用弱磁场的方法，这包括缩小肿瘤或促进肌肉再生的医学工作，以及提高实验室培育肉的产量等等。然而，在这些努力成为现实之前还有很长的路要走。

　　目前缺少的是对细胞或组织内不同的电子自旋叠加态如何对应不同生理结果的全面理解。但如果我们开发出一个量子生物学“密码本”，它可以让我们对许多生理反应取得决定性的控制权。

　　我们正在实验室里着手研究这个密码本。我们希望，它最终将帮助人类制造出简单的电子设备，这些设备可以产生电磁干预，以预防疾病和实现其他目标。（编译/朱捷 选报/操凤琴）

2019年10月,工作人员在美国加利福尼亚州圣巴巴拉实验室使用一台谷歌量子计算机。