地下细菌破解量子计算难题：室温下实现量子相干传输

信息来源：
https://phys.org/news/2025-09-scientist-microbial-roots-potential-quantum.html

当全球科技巨头投入数十亿美元建造需要极端低温环境的量子计算机时，大自然早已在地球深处的无氧环境中演示了一套更为优雅的解决方案。耶鲁大学科学家尼基尔·马尔万卡团队在《物理化学快报》上发表的突破性研究表明，某些细菌能够在常温下通过量子效应实现超高效的电子传输，这一发现有望彻底改变量子技术发展的技术路径，为解决当前量子计算面临的成本和实用性难题提供全新思路。

这项研究的重要性在于它挑战了科学界长期以来的基本假设。传统观点认为，量子效应极其脆弱，只能在接近绝对零度的极端环境中维持。现有的量子计算机需要在零下273摄氏度左右的温度下运行，这需要复杂昂贵的稀释制冷机系统，单台设备的成本可达数千万美元。更重要的是，维持这种极端低温需要持续的巨额能耗，使得量子计算的商业化应用面临巨大障碍。

尼基尔·马尔万卡.图片来源：乔恩·阿瑟顿

马尔万卡的团队发现，生活在地下缺氧环境中的特定细菌已经进化出一套精巧的量子传输系统。这些微生物通过名为"纳米线"的蛋白质丝状结构，能够将新陈代谢过程中产生的电子传输到距离其细胞体100倍远的地方。研究人员形象地称这种现象为细菌的"浮潜"行为，因为它们能够在没有氧气的环境中通过这种方式进行"呼吸"，将有机废物转化为可用的电能。

从经典物理到量子世界的认知飞跃

这一发现的科学意义远超表面现象。马尔万卡本人的学术经历体现了现代科学研究中跨学科融合的重要性。这位来自印度孟买的科学家在马萨诸塞大学攻读博士学位时专注于量子力学和超导体研究，后来转向生物学领域，专门研究极端环境下的微生物生存机制。正是这种物理学与生物学的知识交汇，使他能够用全新视角审视细菌的电子传输现象。

最初，研究团队试图用传统生物学理论解释纳米线中电子的高速传输，但理论计算与实验观测存在巨大差距。按照经典牛顿力学，电子应该像网球一样在蛋白质结构中逐步"弹跳"传递能量，但这种机制完全无法解释观察到的传输速度。面对理论与实验的冲突，马尔万卡意识到必须回到量子物理学框架寻找答案。

与华盛顿大学威廉·帕森斯教授和前耶鲁博士生彼得·达尔的合作中，团队采用先进的光谱学技术深入分析电子行为。关键发现是蛋白质的波动频率比电子波动频率慢约一百万倍，这一巨大频差表明电子并非通过粒子式"跳跃"传输，而是以波的形式进行"冲浪"式传播。

这种量子相干性电子传输使得电子能够同时探索多条传输路径，自动选择最优路线实现快速传播。更令人惊讶的是，这种量子效应在室温环境下保持稳定，完全不需要传统量子系统所要求的极端低温条件。研究团队将此现象描述为首次在生物呼吸过程中观察到的量子力学效应，对量子传感和计算领域具有革命性意义。

生物启发的技术革命前景

细菌纳米线的发现为量子技术发展开辟了全新路径。如果能够理解并模拟这些微生物维持量子相干性的分子机制，就有可能开发出在室温或接近室温下工作的量子设备。这将从根本上改变量子计算的成本结构，使量子技术能够走出昂贵的实验室环境，进入更广泛的商业应用场景。

当前量子计算产业面临的主要瓶颈正是维持量子相干性所需的极端条件。除了高昂的设备成本外，量子计算机还需要复杂的控制系统来抵御环境干扰，任何微小的振动、电磁波动或温度变化都可能破坏脆弱的量子态。而细菌纳米线展示的稳定量子传输机制，为克服这些技术障碍提供了生物学灵感。

生物启发的量子技术还可能在量子传感器领域产生重大影响。细菌纳米线的稳定量子相干性可为开发新型量子传感器提供设计原理，这些传感器在医学成像、地质勘探、导航定位等领域都有巨大应用潜力。室温量子传感器不仅成本更低，也更容易集成到便携式设备中，大大扩展了应用范围。

从更宏观的角度看，这一发现体现了仿生学在高技术领域的巨大价值。大自然经过数十亿年进化，往往能为复杂技术问题提供优雅简单的解决方案。马尔万卡指出，"大自然常常能为复杂问题提供非常简单的解决方案"，细菌在室温下实现高效量子电子传输的能力，正是在严酷自然选择下进化而来的精妙设计。

这种生物量子系统的发现也为合成生物学和生物工程开辟了新方向。研究人员可能通过基因工程或蛋白质设计方法，改造或创造具有类似量子传输功能的生物系统。这些"生物量子设备"不仅在计算和传感领域有价值，还可能在生物能源、环境修复、生物制造等领域发挥重要作用。

科学研究方法的创新意义

马尔万卡的研究历程典型反映了现代科学中跨学科融合的重要性。传统学科边界正变得越来越模糊，最重要的科学突破往往出现在不同学科的交叉点。物理学、生物学、化学、材料科学等传统学科的融合催生了量子生物学、生物物理学等新兴交叉领域，为解决人类面临的重大挑战提供全新思路。

这项研究还改变了科学界对生物系统复杂性的理解。长期以来，生物系统被认为遵循经典物理规律，其行为可用传统理论解释。但越来越多证据表明，量子效应在生物系统中可能比预想的更加普遍重要。从光合作用的能量传输到鸟类磁场导航，量子效应可能在许多生物过程中发挥关键作用。

细菌纳米线研究的成功也展示了现代实验技术的强大能力。团队使用的精密光谱学技术能够在分子水平观察电子行为，测量微观尺度下的量子相干性。这些先进实验手段的发展为探索生物系统中的量子现象提供了必要工具，使得之前无法观测的现象变得可见可测。

展望未来，这一发现可能催生全新的研究领域——室温生物量子技术。科学家需要深入理解细菌维持量子相干性的具体机制，包括蛋白质结构如何保护量子态免受环境干扰，以及这种保护机制如何在进化过程中得到优化。这些基础研究将为开发实用的生物启发量子设备奠定理论基础。

从产业发展角度看，这一突破可能重塑量子技术的竞争格局。传统量子计算公司主要依赖超导或离子阱等物理系统，而生物启发的量子技术可能为新进入者提供差异化竞争的机会。同时，这也要求现有企业重新评估技术路线，考虑将生物学原理纳入产品开发策略。

马尔万卡团队的这项发现不仅是对科学知识边界的拓展，更重要的是它为解决量子技术实用化面临的根本性挑战提供了全新思路。当人工设计的量子系统还在与环境噪声作斗争时，微生物早已掌握了在复杂环境中维持量子相干性的秘密。学习和模仿这些自然界的量子解决方案，可能是实现量子技术革命的关键所在。