تاردیگرید؛ اولین حیوان تاریخ که درهم‌تنیدگی کوانتومی را تجربه می‌کند

تاردیگریدها (موجودات میکروسکوپی که به‌علت ظاهر خاصی که دارند به آن‌ها خوکچه خزه‌ای گفته می‌شود)، برای مطالعات علمی تحت شرایط سخت قرار گرفته‌اند. این موجودات بسیار مقاوم از تفنگ شلیک شده‌اند، در آب جوش غوطه‌ور شده‌اند، درمعرض تشعشعات شدید فرابنفش قرار گرفته‌اند و حتی (به‌طور تصادفی) روی ماه فرود آمده‌اند. همه‌ی این کارها برای آزمایش «حالت تون» انجام شده است، یعنی مکانیسم بقایی که در آن تاردیگریدها به شکل گوی‌های کم‌آبی چروکیده و جمع می‌شوند و عملکردهای زیستی خود را به‌طور نامحدود متوقف می‌کنند تا شرایط محیطی بسیار نامساعد را تحمل کنند.

اکنون پژوهشگران تاردیگریدها را درمعرض سردترین دماها و بالاترین فشارهایی قرار داده‌اند که آن‌ها تابه‌حال در آن زنده مانده‌اند. این کار نه فقط برای آزمایش محدودیت‌های زیستی این موجودات انجام شده است بلکه همچنین برای بررسی این موضوع انجام شده است که آیا تاردیگرید منجمد می‌تواند در دو مدار درهم‌تنیده کوانتومی ادغام شود و سپس دوباره به حالت فعال خود برگردد.

نتایج که در مقاله جدیدی در پایگاه مقالات پیش‌چاپ arXiv گزارش شده است، نشان می‌دهد که بله، دانشمندان ممکن است بتوانند «درهم‌تنیدگی کوانتومی موقت» را به فهرست رو به افزایش قابلیت‌های تاردیگریدها اضافه کنند. اگرچه، پاسخ‌های اولیه به مقاله، مخالف یافته‌های آن بوده است.

اگر یافته‌ها درنهایت با موفقیت فرایند بازبینی را بگذارنند، این آزمایش نشانگر اولین‌باری است که موجود زنده‌ای درهم‌تنیدگی کوانتومی را تجربه می‌کند. درهم‌تنیدگی کوانتومی پدیده‌ی عجیبی است که معمولا به کوچک‌ترین ذرات زیراتمی محدود است.

پدیده درهم تنیدگی کوانتومی به‌قدری عجبیب است که حتی آلبرت انیشتین نیز درمورد آن تردید داشت و این فرایند را «عمل شبح‌وار در یک فاصله» نامید. این اثر زمانی اتفاق می‌افتد که دو ذره بسیار کوچک زیراتمی به یکدیگر متصل می‌شوند، به‌طوری‌که تغییر در اسپین یا تکانه یک ذره فورا ذره دیگر را نیز به همان شیوه تغییر می‌دهد؛ حتی زمانی که دو ذره توسط فواصل بسیار زیادی از هم جدا شده باشند.

اثر مذکور ممکن است بتواند از قلمرو زیراتمی فراتر برود و دانشمندان در مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۸ در مجله‌ی Journal of Physics Communications منتشر شد، سعی کردند آن را ثابت کنند. پژوهشگران دریافتند که باکتری فتوسنتزکننده خاصی، وقتی فرکانس تشدیدشده نور در اتاقی آینه‌ای با فرکانس الکترون‌ها در مولکول‌های فتوسنتزکننده باکتری همگام می‌شد، می‌توانست با فوتون‌های نور درهم‌تنیده شود.

نویسندگان مقاله جدید arXiv تصمیم گرفتند که آزمایش کنند که آیا ارگانیسم چندسلولی مانند تاردیگرید می‌تواند چنین رابطه‌ای ایجاد کند.

پژوهشگران در آزمایش خود سه تاردیگرید را از ناودان سقفی در دانمارک جمع‌آوری کردند. اندازه تاردیگریدها در حالت فعال بین ۰/۲ تا ۰/۴۵ میلی‌متر بود. اگرچه پس از اینکه پژوهشگران تاردیگریدها را منجمد کردند و آن‌ها را به حالت تون درآوردند، اندازه این جانوران به یک سوم اندازه زمان فعالیت کاهش پیدا کرد. در ادامه، پژوهشگران تاردیگریدها را بیشتر منجمد کردند و آن‌ها را در دمای نزدیک به صفر مطلق منجمد کردند که سردترین دمایی است که تاردیگریدها تاکنون درمعرض آن قرار گرفته‌اند و توانسته‌اند زنده بمانند.

پژوهشگران هر تاردیگرید را بین دو صفحه خازن یک مدار ابررسانا قرار دادند که یک بیت کوانتومی یا «کیوبیت» را تشکیل می‌داد. کیوبیت واحد اطلاعات مورد استفاده در محاسبات کوانتومی است.

وقتی تاردیگرید با کیوبیت (کیوبیت B) تماس پیدا کرد، فرکانس تشدید کیوبیت را تغییر داد. سپس این ترکیب تاردیگرید-کیوبیت با مدار دوم نزدیکی (کیوبیت A) جفت شد، به‌طوری‌که دو کیوبیت درهم ‌تنیده شدند. طی چندین آزمایش که به دنبال آن انجام شد، پژوهشگران مشاهده کردند که فرکانس کیوبیت و تاردیگرید با هم تغییر می‌کرد و شبیه سیستم درهم‌تنیده سه بخشی عمل می‌کرد.

طبق ادعای پژوهشگران، تاردیگرید باقیمانده اساسا اولین جانوری است که در طول تاریخ درهم‌تنیدگی کوانتومی را تجربه کرده است. پژوهشگران در مقاله خود نتیجه‌گیری کردند:

درحالی‌که ممکن است انتظار نتایج فیزیکی مشابه با اشیاء بی‌جان با ترکیب مشابه تاردیگریدها را داشته باشیم، تأکید می‌کنیم که درهم‌تنیدگی درمورد ارگانیسم کاملی مشاهده می‌شود که عملکرد زیستی خود را پس از آزمایش حفظ می‌کند. در همین حین، تاردیگرید از نامساعدترین و طولانی‌ترین شرایطی که تا به‌حال درمعرض آن قرار گرفته است، جان سالم به‌دربرد.

درحالی‌که مقاله هنوز مورد بازبینی کارشناسان قرار نگرفته است، پاسخ‌های اولیه جامعه علمی منتقدانه بوده است. داگلاس ناتلسون، رئیس گروه فیزیک و نجوم دانشگاه رایس در تگزاس در وبلاگ خود نوشت که این آزمایش تاردیگرید را به روش معقولی با یک کیوبیت درهم تنیده نکرده است. ناتلسون می‌نویسد:

کاری که نویسندگان انجام دادند، این بود که تاردیگریدی را روی قسمت‌های خازنی یکی از دو کیوبیت جفت‌شده قرار دادند. تاردیگرید عمدتا از آب یخزده تشکیل شده است و در این‌جا مانند عایق عمل می‌کند و فرکانس تشدید کیوبیتی را که روی آن قرار گرفته است، تغییر می‌دهد. این کار به‌معنای درهم‌تنیدگی نیست.

بن بروبیکر، نویسنده علمی و فیزیکدان سابق نیز با این موضوع موافق بود. بروبیکر در توییتی نوشت:

کیوبیت مداری الکتریکی است و قرار دادن تاردیگرید در مجاورت آن، طبق قوانین الکترومغناطیس که بیش از ۱۵۰ سال است درمورد آن‌ می‌دانیم، بر آن تأثیر می‌گذارد. قرار دادن ذره‌ای گرد‌و‌غبار در کنار کیوبیت نیز همین اثر را خواهد داشت.

البته، تاردیگرید عمل شبح‌وار را از کیوبیت‌هایی که به آن متصل شده بود، تجربه کرده باشد یا نه، مطالعه نشان می‌دهد که خوکچه‌های خزه‌ای حتی از آنچه قبلا تصور می‌شد، مقاوم‌تر هستند و این آزمایش حداقل باید به‌عنوان یادآوری باشد که تاردیگریدها به‌طور عادی نیز به اندازه کافی جذاب هستند.