Znanstvenici su prvi put u povijesti uspjeli u tzv. kvantnoj sprezi povezati jedno živo biće – mikroskopsku životinjicu poznatu kao dugoživac.
U eksperimentu koji su proveli Rainer Dumke s Nanyang Technological Universityja u Singapuru i njegovi suradnici dugoživac je bio kvantno spregnut sa supravodljivim kubitom, a posebno je zanimljivo to što je preživio eksperiment. To je prvi put da je višestanični organizam stavljen u ovo čudno kvantno stanje. Rezultati su prvi korak u razumijevanju djelovanja kvantne mehanike u živim organizmima.
Dugoživci – stvorenja koja mogu preživjeti ekstremne uvjete
Dugoživci su mikroskopske životinjice koje zbog svojeg bucmastog izgleda i načina kretanja podsjećaju na malene medvjediće pa se ponekad također nazivaju vodenim medvjedićima.
Žive gotovo svuda gdje ima vlage – u morima, slatkim vodama i vlažnim područjima na kopnu, primjerice u vodenom filmu u mahovinama te u žljebovima i na krovovima kuća. Imaju četiri para kratkih nožica koje završavaju pandžicama. Hrane se sadržajem biljnih stanica, ali i malim životinjama koje obično ubodu kako bi isisali hranjive tvari. Razmnožavaju se uglavnom spolno, no neke vrste mogu se razmnožavati i nespolno, iz jajašaca koja nisu oplođena.
Posebno su zanimljivi za znanstvena istraživanja zbog svoje sposobnosti da prežive u najekstremnijim uvjetima kakvi vladaju u svemiru – u vakuumu, na ekstremno niskim temperaturama, blizu apsolutne nule. U takvim nepovoljnim uvjetima u stanju obamrlosti (anabioza) mogu preživjeti više godina dok uvjeti ponovo ne postanu povoljni. Zbog tog svojstva na hrvatskom su jeziku dobili naziv dugoživci.
Što je kvantna sprega?
Kvantna sprega jedan je od najbizarnijih fenomena koji se očituje u mikrosvijetu, odnosno na razinama na kojima djeluje kvantna mehanika. Kada se dvije ili više čestica, poput protona ili elektrona, povežu na određeni način, bez obzira na to koliko su udaljene u svemiru, njihova stanja ostaju povezana. To znači da dijele sjedinjeno kvantno stanje. Ako se promatra stanje jedne čestice, nalazi mogu automatski pružiti informacije o drugim spregnutim česticama, bez obzira na to koliko se one daleko nalazile. Također, svako djelovanje na jednu od spregnutih čestica automatski će utjecati na ostale u spregnutom sustavu.
Budući da se to zbiva trenutačno, čak i ako se dvije spregnute čestice udalje u različite krajeve svemira, ovu neobičnu pojavu slavni fizičar Albert Einstein nazvao je “sablasnim djelovanjem na daljinu”. Štoviše, smatrao je da ona, iako proizlazi iz kopenhagenske interpretacije kvantne mehanike, ne može postojati u prirodi jer bi mogla kršiti teoriju relativnosti prema kojoj informacije ne mogu putovati brže od brzine svjetlosti. Taj problem, adresiran 1935. u zajedničkom radu, odnosno misaonom eksperimentu Einsteina, Borisa Podolskog i Nathana Rosena, nazvan je EPR paradoksom.
Postojanje kvantne sprege kasnije je potvrđeno u brojnim eksperimentima, a fizičar Niels Bohr u svojem je odgovoru Einsteinu, Podolskom i Rosenu pokazao da ona ne narušava relativnost, odnosno da EPR paradoks ne stoji. On je ustvrdio da kvantna sprega između dvije čestice ne omogućuje bilo kojoj čestici ili bilo kojem drugom obliku informacije da se kreće između dva mjesta brzinom većom od brzine svjetlosti. Dvije čestice mogu biti povezane kvantnom spregom, no to se nikada ne bi moglo koristiti za slanje signala s jednog mjesta na drugo brzinom većom od brzine svjetlosti jer je jedino što se razmjenjuje između dvije čestice njihovo unutarnje kvantno stanje, a ne prosljeđuju se nikakve vanjske informacije.
Kvantna fizika djeluje u temeljnim životnim procesima
Posljednjih godina pojavili su se dokazi da kvantna mehanika igra određenu ulogu u nekim od temeljnih životnih procesa. No, na koji način se to zbiva, još uvijek nije razjašnjeno; to je područje kojim se znanstvenici tek počinju baviti, a izazovi su veliki.
Naime, kvantni fenomeni toliko su delikatni da se mogu promatrati samo kada su svi drugi utjecaji maksimalno prigušeni – drugim riječima, u pažljivo kontroliranim sustavima na temperaturama blizu apsolutne nule te u vakuumu. Međutim, uvjeti za život upravo su suprotni od toga – oni su složeni, topli i vlažni.
Stoga su za novi eksperiment bili ključni dugoživci za koje se zna da su sposobni preživjeti u ekstremnim uvjetima.
Zamrznuti blizu apsolutne nule, spregnuti i ponovno oživljeni
Kako bi izveli svoj eksperiment, singapurski su znanstvenici ohladili dugoživca na temperaturu ispod 10 milikelvina, što znači gotovo na apsolutnu nulu (apsolutna nula je 0 K, odnosno -273.15°C). Istovremeno su smanjili tlak zraka na milijunti dio onoga u atmosferi. U tim uvjetima ne mogu se odvijati nikakve kemijske reakcije, tako da su metabolizam i procesi života dugoživca bili potpuno zaustavljeni.
“Ovo je do danas najekstremnija niska temperatura i niski tlak na kojima je dugoživac preživio, što jasno pokazuje da stanje kriptobioze u konačnici uključuje obustavu svih metaboličkih procesa jer sve kemijske reakcije prestaju kada su sve molekule ohlađene do osnovnog stanja”, komentirali su autori istraživanja.
U ovom stanju dugoživac se može smatrati običnim dielektričnim elementom. U svojem eksperimentu autori su životinjicu upravo tako i tretirali – kao dielektričnu kocku. Eksperimentalna postava sastojala se od dva supravodljiva kondenzatora koji, kada se ohlade, mogu postojati u superponiranom stanju koje se naziva kubit. U kvantnom računalstvu kubit je osnovna jedinica kvantnih informacija – kvantna verzija klasičnog binarnog bita – koja se fizički realizira pomoću uređaja s dva stanja. Drugim riječima, kubit je kvantno-mehanički sustav s dva stanja, jedan od najjednostavnijih kvantnih sustava koji pokazuje svojstva kvantne mehanike. Primjerice, dva stanja u slučaju elektrona sastoje se od elektrona koji može imati smjer spina prema gore i prema dolje.
Tim je postavio dugoživca između ploča kondenzatora jednog kubita tako da je on postao dio sustava kondenzatora. Nakon toga znanstvenici su mogli mjeriti učinak dugoživca na svojstva kubita.
U sljedećem koraku uspostavili su kvantnu spregu tog kubita sa susjednim tako da je cijeli sustav postao jedan kvantni objekt. Drugim riječima, dugoživac je postao kvantno spregnut sa svojom neposrednom okolinom.
“Vidjeli smo kako se životinjica u kriptobiozi povezala sa supravodljivim kvantnim bitom nakon čega smo formirali snažno spregnuto stanje između kombiniranog sustava i drugog kubita”, objasnili su autori.
Konačno, nakon što je dugoživac bio u kriptobiozi više od dva tjedna, tim ga je polako zagrijavao i istovremeno ponovno podizao tlak zraka do uobičajenog, atmosferskog.
Iako ovaj eksperiment još ne otkriva na koje načine kvantna mehanika djeluje u složenim životnim procesima, on predstavlja prvi korak u tom smjeru.
“Naš rad pruža prvi korak u uzbudljivom smjeru stvaranja hibridnih sustava koji se sastoje od žive tvari i kvantnih bitova”, poručili su autori.
