物理学者グループは最近、量子力学と古典力学の領域を融合させる試みとして、クマムシと呼ばれる微小な動物を超伝導量子ビット上に配置した。研究者たちはクマムシが量子レベルで量子もつれ状態にあると主張しているが、一部の科学者は、研究チームの主張は実際の成果を超えていると指摘している。
結果はジャーナルには掲載されていませんが、現在はプレプリントサーバー arXiv でホストされています。
「量子と生物学を結びつけることを考え始めるのはとても素晴らしいことだと思います。ただし、正しい主張が必要です」と、UCLAの量子エンジニアであるクラリス・アイエロ氏は電話インタビューで述べた。「この実験は量子生物学の範疇に入るとは思えません」。Twitterでは、物理学者のベン・ブルベーカー氏も同様の批判を表明した。
量子もつれとは、2つ以上の粒子が互いの性質を定義する現象です。量子もつれを持つ粒子は相互依存的であり、一方の粒子について何かを知ることで、もう一方の粒子についても何かを知ることができます。これは、たとえ粒子が数十億マイル離れていても変わりません。量子もつれは自然に発生しますが、人間がそれを観察して量子力学をより深く理解するためには、実験室環境で誘発する必要があります。
クマムシは、クマムシやコケブタとも呼ばれ、イモムシとミシュランマンを足して2で割ったような姿をした小さな動物です。クマムシは極限環境生物であり、宇宙空間の真空など、ほとんどの生物が生息できない環境でも耐え、繁殖することができます。
シンガポール、デンマーク、ポーランドに拠点を置く研究者たちは、クマムシを捕獲対象に選びました。クマムシは、灼熱、極寒、異常に高い圧力、高レベルの電離放射線などに耐えるために長期間の冬眠に入る能力を持っているからです。この冬眠はクリプトビオシスと呼ばれ、クマムシは体から水分を放出して乾燥し、環境がより管理しやすい状態になったときにのみ活動を開始します。
「量子レベルで十分に制御できるシステムは、環境から十分に隔離されており、エネルギーが非常に低い、つまり極低温であるという点が主な問題です」と、シンガポールの南洋理工大学の物理学者で、本研究の共著者であるライナー・ダムケ氏は電子メールで述べた。「適切な量子システムだけでなく、適切な生命体も見つける必要がありました。」
研究チームは、生きたクマムシ（2018年にデンマークの屋根の雨どいから採取されたRamazzottius varieornatus）をクリプトビオシス状態にした。クリプトビオシス状態になったクマムシ（実験ごとに1匹ずつ）を超伝導量子ビット（通常の計算ビットとは異なり、0と1を同時に表すことができる量子ビット）上に配置した。クマムシは量子ビットと結合し、システムの共鳴周波数（物体が自然に最大限に振動する周波数）の変化に基づいていることが報告された。そして、結合したクマムシと量子ビットのシステムは、隣接する2番目の量子ビットとエンタングルメントしていると考えられている。これらの量子ビットは、より大きなシリコンチップ上に並んで配置されていた。
しかし、外部の科学者たちは、この実験が本当に量子もつれを示しているのか懐疑的だった。テキサス州ライス大学の物理学者ダグラス・ナテルソン氏はブログ記事で、共鳴周波数の変化は「いかなる意味においても量子もつれではない」と述べ、「クマムシは、その基盤となるシリコンチップと同様に、量子ビットと量子もつれをしていない」と指摘した。
アイエロ氏によると、量子生物学は「生物学に存在する内因的な量子力学的自由度」、つまり生物の量子的な振る舞いを定義する内部ダイナミクスを測定するものだという。（例えば、鳥はナビゲーションに役立つ磁場を見るために量子力学を利用していると考える研究者もいる。）アイエロ氏によると、最近の研究チームはそうしたことは行っていないという。彼らはクマムシが置かれたキュービットの共鳴周波数の変化を記録したが、キュービットとの相互作用とは独立してクマムシの特性を計測しなかった。実験では、他の何らかの効果ではなくエンタングルメントが発生していることを確証する尺度が欠けていたとアイエロ氏は述べた。彼女は、論文のタイトル「超伝導キュービットとクマムシのエンタングルメント」は誤解を招きやすく、クマムシとキュービットの相互作用は量子効果ではなく古典効果であった可能性があると主張した。
「批判の一つは、例えばコンピューティングに利用できるような有用な量子もつれを生成できなかったというものでした」とダムケ氏は述べた。「確かに、クマムシのシステム単体を計測することはできず、結合したシステムのみを計測できます」。さらにダムケ氏は、クマムシ単体の計測は「現在の私たちの技術力を超えていますが、将来的には必ず挑戦するつもりです」と付け加えた。
クマムシ（微小ではあるものの、原子よりはるかに大きい）を量子もつれ状態にすることは、この分野にとって大きな飛躍となるだろう。光子や原子のような粒子は定期的に量子もつれ状態にあるが、それよりも大きなスケールにまで到達することは、現在もなお挑戦が続いている。2007年には、光合成が量子現象の結果である可能性に沸き起こったが、2020年の研究では、それはおそらくそうではないと示唆された。それ以前にも、細菌は量子的な振る舞いの兆候を示していた。しかし、それでもなお、そのようなマクロスケールで量子システムが機能することを実証した研究はまだ存在しない。
訂正：この記事の以前のバージョンでは、Clarice Aiello のファーストネームのスペルが間違っていました。
