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【論文翻譯】w1初稿直翻
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**論文名稱（英）：** [Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade](http://arxiv.org/abs/2112.07978)
**論文名稱（中）：** 超導量子比特和緩步動物之間的糾纏

**目前進度：** 3 / 10 頁 && 注釋20

## 目錄

[TOC]

## 引言 p1

### 學術意義

**量子**和**生物系統**很少一起討論，因為它們通常需要相反的條件。 生命是複雜的，生活環境又熱又濕，而量子物體很小，越冷則越受控。 在這裡，我們用**緩步動物**（==一種微觀的多細胞生物==） 克服了這一障礙，通過一種被稱為**隱生**[^zero]的潛在生命狀態來承受極端的物理化學條件。
<br/>
### 生物學上的成就

我們觀察到緩步動物與超導**量子比特**[^pointfive]之間的**耦合**[^first]，在這個組合系統和另一個量子比特中間準備一個高度**糾纏**的狀態。使緩步動物本身被證明與剩餘的子系統糾纏在一起。 除此之外還觀察到動物在低於 10 mK 的溫度和 6 × 10^−6^ mbar 的壓力下 420 小時後恢復其活性形式，==為複雜的生命形式可以生存的條件創造了新的記錄==。

在 1933 年極具影響力的 "**光與生命**" 演講中，尼爾斯·玻爾支持了科學家之間的類比。物理學家試圖表徵原子和生物學家試圖表徵細胞。 活細胞是由普通的物質，因此完全受到化學分析，但物質以復雜和錯綜複雜的方式組織。玻爾提出，為了研究細胞的化學性質，必須破壞組織。 另一反面，要研究組織，必須在化學不可見的水平上運作。 ==玻爾因此提出有機體的化學基礎及其組織層次是互補的屬性==，並且永遠不能同時研究。

在這裡，我們不僅透過將生命系統與兩個超導量子比特糾纏在一起來超越玻爾的互補性，而且還關聯了量子物理學、化學和生物學都重疊的領域。 我們研究的生命系統是一種緩步動物（水熊蟲），如果外部條件被認為對其生存不利，它能夠**無限期地暫停其生命功能**。 從這個意義上說，這是玻爾肯定沒有想到這一點的，因爲這樣可以==對系統進行量子研究==，從而同時進行化學研究，而不會破壞其生物學功能的能力。
<br/>
### 回應質疑

此實驗可以歸類為**量子生物學領域**[^second]，該領域研究量子效應在生物相關過程中的可能性，例如**熱合成、嗅覺或動物導航，也涉及量子整個生物體的特徵**。 沿著這個方向，物質波干涉儀的系統性工作揭示了分子的波特性，其複雜性不斷增加，並有望用病毒測量類似的結果。 已經觀察到活的光合細菌與光**強耦合**，並且在某些假設下，所獲得的結果可以解釋為細菌的量子化光和光敏部分之間的糾纏。而我們的==實驗涉及一種多細胞真核生物，它是一種更複雜的生命單元==，與量子比特發生**電相互作用**[^third]，因此關於量子特徵的結論是不可避免的。
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## 實驗 p1-2

### 對象&背景

在我們的實驗中，我們使用了丹麥的 _Ramazzottius varieornatus Bertolani 和 Kinchin，1993（Eutardigrada，Ramazzottiidae）_ 種群的標本。該物種屬於緩步動物門，由成年長度為 50-1200 µm的微觀無脊椎動物組成。重要的是，許多緩步動物表現出非凡的生存能力，選定的物種以前曾暴露於**50 mK的極低溫**度和**10-19 mbar的低地球軌道壓力**。
<br/>
### 復活

由於一種被稱為隱生（假死）的潛在生命狀態，它們在這些極端條件下的生存是可能的。 各種極端的物理化學條件，包括冷凍和乾燥，都可以誘發隱生菌。 具體來說，在乾燥過程中，==緩步動物會減少體積並收縮到一種新陳代謝狀態==，稱為“**tun**”[^forth]。 復興它則是將緩步動物重新引入大氣壓下的液態水中來實現的（~~意思就是滴幾滴水在它的身上就復活了~~）。

在當前的實驗中，我們使用了長度為 100-150 µm 的干燥的 _R. varieornatus tuns_。 活躍的成蟲標準的長度為 200-450 µm。 復活過程通常需要幾分鐘。 我們在超導傳輸量子比特上放置一個緩步動物 tun，並通過新的**量子比特-緩步動物系統**的**共振頻率的變化**來觀察量子比特和緩步動物 tun 之間的耦合。 然後，這個聯合的==量子比特-緩步系統與第二個超導量子比特糾纏在一起==。

我們重建這個耦合的密度矩陣通過量子態斷層掃描實驗系統。最後，==將緩步動物從超導量子位中移除並重新引入大氣壓和室溫==。 我們觀察到它在水中的活躍代謝狀態的恢復。值得注意的是，緩步動物桶在 420 小時內保持在低於 10 mK 的基礎溫度和大約 6 × 10−6 mbar 的壓力下 _（參見補充資料 (SI) 了解更多詳細信息）_。

==這是迄今為止記錄到的最極端的低溫和壓力下緩步動物生存的最極端情況==，清楚地表明，隱生狀態最終涉及所有代謝過程的暫停，因為所有化學反應都將是禁止其所有組成分子冷卻到其**基態**。
<br/>
### 圖1：設計草圖

**a)** tun 狀態的緩步動物位於**傳輸量子比特 B** 的分流電容器板之間，稍微偏離**約瑟夫森結**[^fifth]。 量子位 A 位於底部，並與量子位 B 電容耦合。 整個芯片放置在 3D 銅腔內，該腔安裝在**稀釋冰箱**[^sixth]內，並連接到標準微波電子設備以進行探測。

**b)** 兩個量子位和緩步tun的電路圖。（不理解）

**c)** 傳輸量子比特上**復活**的緩步動物的放大圖。 在實驗過程中，將處於 tun 狀態的緩步動物放置在相同的位置，同時仍附著在一小塊濾紙上。
<br/>

### 内容說明
**兩個傳輸量子比特**（“qubit A”和“qubit B”）背靠背安裝在無氧高導熱銅 3D 微波腔內，TE~101~ 頻率為 4.521 GHz。 兩個傳輸量子比特相距約 **1 毫米**（矽芯片厚度的兩倍）。 兩個量子位通過每個量子位上的並聯電容器板直接耦合。

我們使用通常用於超導量子位的控制和讀出方案來表徵系統。 每個量子比特的頻率是可調的，但在我們的實驗中總是**偏向接近最大值**。 ==這些對應於量子比特 A 的 f~A~ = 3.048 GHz 和沒有緩步動物 tun 的量子比特 B 的 f~B~ = 3.271 GHz==。
<br/>

### 圖2：模擬&預期

**a)** **沿緩步動物表面的電場的數值模擬**，分流電容器板（以橙色顯示）的示例性電位差為 20 mV。 tun 狀態的緩步動物被模擬為一個長度為 100 µm、**介電常數**[^eighth]為 4 的立方體，附在介電常數為 4.5 的 150 µm 方形濾紙上。 正如所見，濾紙與傳輸量子比特通道有足夠的位移，==並且不會與電場發生顯著相互作用==。

**b)** **緩步動物的預期頻移**，==用蛋白質的典型介電常數值模擬==（在 4 到 30 範圍內）。 觀察到的 -8 MHz 頻移對應於緩步動物 tun 的介電常數約為 4。
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### 變因

對於隨後的冷卻，將 150 µm 方形纖維素濾紙上的單個隱生緩步動物放置在量子位 B 的**基板**[^seventh]上，在傳輸量子位的並聯電容器板之間，緩步動物的一側更靠近基板。 濾紙從傳輸平面充分**位移**，==並與傳輸量子位元電場相互作用非常弱==，通過數值模擬驗證（見圖 2a）。

如圖 2b 所示，量子比特 B 的最大頻率下移 8 MHz 至 f 0 B = 3.263 GHz，而量子比特 A 的最大頻率沒有顯著變化。 這種轉變可歸因於**約瑟夫森結的老化**和**加入緩步動物**。==緩步動物的添加導致有效電介質發生變化==，並有助於量子比特 B 的跨門並聯電容，從而改變其頻率。

我們使用 **ANSYS Maxwell**[^nineth] 模擬電場和電容變化，其中緩步動物被建模為長度為 100 µm 的立方體，如實驗中所示，介電常數在 ==4 到 30== 之間變化（蛋白質的典型值）。

圖 2b 顯示測得的頻移對應於 **ε~r~ ≈ 4** 的緩步介電常數。 請注意，這是==在蛋白質介電常數的較低範圍內，表明老化效應的貢獻很小，與量子比特的測量結果一致一種==。
<br/>

## 數學過程 p3~6（未完）

這種宏觀行為可以用一個微觀模型來理解，其中緩步動物內部的電荷被表示為有效的**諧振子**[^tenth]，通過偶極子機制耦合到量子比特的電場。

這是對用於模擬介電結構缺陷的兩級系統的修改。 由於這種耦合，與僅裸量子比特相比，組合系統具有不同的**能隙**。我們將緩步動物內的電荷建模為耦合到量子比特的 N 個**諧波振盪器**（可能具有不同的頻率）的集合。 ==由於觀察到的能量偏移很小，因此可以合理地假設耦合很弱並且可以被視為一種擾動==。

因此，我們拆分哈密頓量並寫出以下基本項：

$$H_0 = -\frac{1}{2} h ω_q σ_z + h\sum_{j=1}^N ω_j a^† a_j$$

其中 σ~z~ 是具有較低（較高）能量狀態的量子比特的 Pauli-z **運算子**[^thirteenth]，表示為 │0〉 (│1〉) 和 a~j~ (a^†^~j~) 是第 j 個振盪器的下降（上升）運算子。 請注意，量子比特消失的能量已設置在其能級之間的中間，並且每個振盪器的基態被分配為**零能量**。 擾動項由耦合給出，由於**弱相互作用**，我們也忽略了能夠同時激發量子比特和振盪器的所謂**反向旋轉項**。 所以，

$$ $$

### 圖3：與緩步動物糾纏


a) 由量子比特 A 的狀態和量子比特 B 和緩步動物 ==tun 的修飾狀態跨越的四維子空間中組合三方系統的斷層掃描==。 通過最大似然**估計**（綠色）重建的密度矩陣對**理想狀態**（藍色）的保真度為 82%。

b) **哈達瑪門**(H)[^eleventh] 後跟 **CNOT 門**[^twelveth]用於產生面板 a) 中呈現的狀態。

c) 微觀模型中的**量子糾纏**作為 θ 的函數，緩步動物 tun 和量子比特 B 之間的相互作用強度。π 糾纏量化了真正的**三方糾纏**，==即一種不能簡化為成對糾纏的量子關聯形式==。 有關正式定義，請參見 SI。
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## 補充資料 p7-10
### TUN狀態的緩步動物
緩步動物在tun狀態時會將腳擺成縱向，使身體呈現方形，如圖。在實驗中，曾有兩隻緩步動物成蟲標本於2018年2月在丹麥Nivå(N55°65.685',E12°29.775')屋頂排水溝被收集。當時排水溝包括緩步動物皆被冷凍於潮濕條件下且儲存於—20°C至2020年10月

解凍時將其放入稀釋過的超純水並以顯微鏡觀察緩步動物成蟲之活躍度。將其一緩步動物成蟲移除巴斯德移液器並放到濾紙上使其乾燥。接著嘗試機械地將緩步動物由濾紙移除且不可逆轉地損害其表皮，並阻止牠們在水中復活。
### 溫度和壓力曲線
### 三方密度矩陣的重構
### 糾纏量詞
### 電介質模型

[^zero]: **隱生** _cryptobiosis_
在此翻譯作隱生，可理解爲進入假死或休眠等暫凍狀態的動作，在後面稱此狀態為“tun”。

[^pointfive]:**量子比特** _qubit_
古典電腦的計算單位是由可計算0或1的“比特”（bit）組成，亦可稱“位元”。而在量子電腦中則是以可以計算0和1的“量子比特/量子位元”（qubit）為計算單位。

[^first]: **耦合** _coupling_
兩者（文中指兩個量子比特與緩步動物）結合在一起，具有連結關係，其中一者的改變都會影響另外一個的狀態。

[^second]: **量子生物學領域** _field of quantum biology_
利用量子理論研究生物過程和分子動態結構、量子水平的分子動態結構和能量轉移，如果所得結果與宏觀的生物學現象相吻合且很難用其他學科的研究重複，則這一研究結果較為可信。~~實際應用如：量子計算DNA蛋白質摺疊情形~~

[^third]:**電相互作用** _interacting electrically_
是處於電場、磁場或電磁場的帶電粒子所受到的作用力。

[^forth]: **tun**
緩步動物透過脫水的方式將自己減少體積縮成一顆很硬的球體，進行隱生（復活前無法知道它的生死），而在實驗結束後需將其成功復活，證實它並未死亡，才能證明緩步動物是造成糾纏的關鍵，否則把它視爲灰塵也是一樣的效果。

[^fifth]:**約瑟夫森結** _Josephson junction_
由兩個超導體夾著一個薄的非超導層組成。

[^sixth]:**稀釋冰箱** _dilution refrigerator_
He^3^ / He^4^ 稀釋製冷機是一種低溫設備，可提供持續冷卻至低至 2 mK的溫度，在低溫區域沒有移動部件。冷卻能力由Helium-3和Helium-4同位素的混合熱提供。

[^seventh]:**基板** _substrate_
簡稱SUB。可為芯片提供電連接、保護、支撐、散熱、組裝等功效，以實現多引腳化，縮小封裝產品體積、改善電性能及散熱性、超高密度或多芯片模塊化的目的。

[^eighth]:**介電常數** _dielectric constant_
介電常數是反映壓電智能材料電介質在靜電場作用下介電性質或極化性質的主要參數，通常用ε來表示。不同用途的壓電元件對壓電智能材料的介電常數要求不同。當壓電智能材料的形狀、尺寸一定時，介電常數ε通過測量壓電智能材料的固有電容CP來確定。

[^nineth]:**ANSYS Maxwell**
Ansys Maxwell 是一款用於電機、變壓器、無線充電、永磁鎖存器、致動器和其他機電設備的電磁場求解器。它解決了靜態、頻域和時變磁場和電場。(低頻電磁場仿真器)

[^tenth]:**諧振子** _harmonic oscillator_
一個古典諧振子乃一個系統，當其從平衡位置位移，會感受到一個恢復力F正比於位移x，並遵守虎克定律：F=-kx。而量子諧振子則爲古典諧振子的延伸。

[^eleventh]:**哈達瑪門** _Hadamard gate_

[^twelveth]:**CNOT門** _CNOT gate_

[^thirteenth]: **運算子** _operator_