前不久，清华大学和美国普渡大学的物理学家设计了一个实验，要把活的生物体置于量子叠加态之中。不，他们没打算用猫，而是要用小得多的细菌。为什么要大费周章去如此处置细菌？量子叠加态的生命又有什么神奇之处？果壳网科学人特邀了这项研究的合作者、清华大学交叉信息研究院量子信息中心助理研究员尹璋琦，请他亲自讲述薛定谔细菌的来龙去脉。
1935年，爱因斯坦提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）佯谬，揭示了量子力学的非定域性与我们常识之间的矛盾。然后，他进一步把这个想法推广，设想了一桶不稳定的炸药，经过一段时间后，炸药处于爆炸与不爆炸之间的量子叠加态。他把这个想法告诉薛定谔。受此启发，薛定谔把宏观量子叠加态推广到了生命体，提出了处于死与活量子叠加态的薛定谔的猫。
自从提出了薛定谔猫态，薛定谔似乎对于把量子力学应用到生物中产生了浓厚的兴趣。在1944年，他写了一本小册子《生命是什么？》，详细分析了为什么理解生命的本质必须要用量子力学。近期的实验证明了，量子力学在生命体中确实发挥了重要的作用。比如说光合作用，以及鸟类识别方向等等。
既然生命内部的生化反应需要量子物理才能理解，那么生命体本身能处于量子态么？这种处于量子叠加态的宏观生命体，挑战了我们的常识，也激发了一代代物理学家研究的灵感，并且引发了哲学上的很多思辨和争议，比如说所谓的多世界理论。
1996年，美国国家标准局戴维·瓦恩兰（David Wineland）的研究组用单原子离子制备出了离子的位置与内部自旋之间的量子纠缠态，也就是薛定谔猫态。瓦恩兰在2012年获得了诺贝尔物理学奖，这项工作也是他拿奖的重要贡献之一。
最近十年，对光力学的研究，使得人们能够把更大的物理系统冷却到量子基态，并制备其量子叠加态。比如说2011年，美国国家标准局的科学家就用超导电路系统，把一个直径15微米，厚度100纳米的铝薄膜机械振子冷却到了量子基态。
虽然能够实现量子叠加态和量子干涉的物理系统越来越大，可是距离薛定谔原始的设想却并没有靠近多少，因为这些系统都是无生命的。我们能在有生命的物理系统中做出宏观量子叠加态么？看起来是不可能的。可是这个疯狂的想法还是有人尝试过。
回过头来看，人们在实验上实际已经把比普通细菌大得多的机械振子冷却到量子基态，且制备出了它们的量子叠加态和量子纠缠态。由于超导量子计算最近几年的迅速发展，人们对超导电路的操控能力得到了极大的进步。而与之连接的薄膜振子就更容易被操控。由此，我们可以制备机械振子的任意量子叠加态，以及两个机械振子之间的量子纠缠态。
所以，我们想，干脆把细菌放到这个冷却到量子基态的薄膜表面，靠分子间的范德瓦尔斯力粘住，跟随薄膜被冷却，自然也就到了量子基态了。我们相信，利用现有的技术来把细菌冷却到量子基态并不难，可能3年内就能实现。
把冷冻的细菌制备到量子叠加态态，只是第一步，研究处于量子叠加态的生命体的生化反应等才是我们的目标。在我们这篇论文中，我们还提出了第二个实验，利用这个实验装置来精确的测量细菌内部分子的结构和缺陷，可以实现单个电子，乃至单个原子核的分辨率。一旦实现，能帮助我们更本质地理解生物大分子如何发挥功能。
我们相信，随着生命体的量子叠加态在实验中实现，生物与量子物理将会更深度的交叉与融合，我们对生命的本质将会有更深刻的认识。