[论文解读] Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade

Kyung-Jun Lee, Y. P. Tan+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Tardigrade Biology and Ecology被引用 6

一句话总结

本研究展示了超导量子比特与处于隐生（tun）状态的缓步动物之间的量子纠缠，该系统在10 mK和6×10⁻⁶ mbar下稳定存在420小时。实验通过量子态层析技术实现了三体纠缠系统的82%保真度，证明了多细胞真核生物在经历极端量子冷却后仍能维持生物活性，同时与量子比特保持量子纠缠。

ABSTRACT

Quantum and biological systems are seldom discussed together as they seemingly demand opposing conditions. Life is complex, "hot and wet" whereas quantum objects are small, cold and well controlled. Here, we overcome this barrier with a tardigrade -- a microscopic multicellular organism known to tolerate extreme physiochemical conditions via a latent state of life known as cryptobiosis. We observe coupling between the animal in cryptobiosis and a superconducting quantum bit and prepare a highly entangled state between this combined system and another qubit. The tardigrade itself is shown to be entangled with the remaining subsystems. The animal is then observed to return to its active form after 420 hours at sub 10 mK temperatures and pressure of $6 imes 10^{-6}$ mbar, setting a new record for the conditions that a complex form of life can survive.

研究动机与目标

• 探索在极端条件下量子相干性与生物活性共存的可能性。
• 检验复杂多细胞生物是否能在不丧失生物功能的前提下维持与量子系统的纠缠。
• 突破长期以来认为量子系统与生命物质因环境退相干而互不相容的假设。
• 建立一种混合量子-生物系统，利用缓步动物的隐生状态实现与超导量子比特的稳定耦合。
• 证明在长时间暴露于超低温和超高真空环境后，生物功能仍可保持，从而实现对活体生物的量子实验。

提出的方法

• 将处于tun状态的缓步动物置于超导transmon量子比特上，由于耦合导致量子比特共振频率发生可测量的偏移。
• 通过SWIPHT脉冲协议实现的受控-非门，将量子比特A与第二个超导量子比特进行纠缠，形成三体系统。
• 利用16种单量子比特门组合，对量子比特A与量子比特-B-缓步动物系统的布居态构成的四维子空间进行量子态层析。
• 采用最大似然估计方法重构密度矩阵，确保实验态的物理一致性。
• 采用广义Tavis-Cummings哈密顿量对系统进行建模，其中耦合强度随能级失谐而变化，从而实现对量子比特-缓步动物相互作用的解析处理。
• 基于负性计算的tangle量化纠缠度，结果显示真实三体纠缠随相互作用强度θ单调增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 处于隐生状态的多细胞真核生物在与超导量子比特耦合时，能否维持量子相干性？
• RQ2 在极端低温条件下，是否可能实现活体生物与宏观量子系统之间的高保真度纠缠？
• RQ3 缓步动物在长时间暴露于低于10 mK的温度和超高真空环境后，是否仍保持生物活性？
• RQ4 在不破坏生物功能的前提下，能否在活体生物与量子比特之间观测到量子纠缠？
• RQ5 缓步动物的隐生状态在多大程度上实现了与量子系统的稳定、长期耦合？

主要发现

• 量子比特-缓步动物系统表现出可测量的频率偏移，证实了超导量子比特与生物系统之间存在耦合。
• 通过量子态层析确认，实验制备的三体纠缠态与理想贝尔类态的保真度达到82%。
• 基于tangle的负性分析证实了缓步动物与两个量子比特之间存在纠缠，且在任意有限相互作用强度下均成立。
• 缓步动物在10 mK和6×10⁻⁶ mbar条件下存活420小时，创下复杂生物体在极端环境暴露时间的新纪录。
• 从低温环境取出后，缓步动物成功复苏至活跃代谢状态，证实实验后仍保持生物功能。
• 通过π-tangle量化的真正三体纠缠随耦合强度θ单调增加，表明量子关联具有强鲁棒性。