Si può ottenere una correlazione quantistica tra un sistema biologico e un sistema fisico?

Per il team di Scienziati dell’Università Nanyang Technological di Singapore, la risposta sembrerebbe essere affermativa.

Per la prima volta in assoluto, gli scienziati affermano di essere riusciti, attraverso un esperimento, a dimostrare la possibilità che un organismo vivente pluricellulare, quale il tardigrado, sia stato implicato in un entagled (un “legame”) con i superconduttori quantum bits (noti anche come transmons), andando così oltre ciò che nel 1933 affermò Bohr, ovvero che non si possa condurre uno studio chimico su un organismo vivente senza distruggere la sua capacità di funzionare biologicamente.

Prima di parlare di questo esperimento, facciamo dei chiarimenti sul tardigrado.

TARDIGRADO

 Il tardigrado è un microscopico organismo multicellulare invertebrato noto per la sua straordinaria capacità di sopravvivere in condizioni fisico-chimiche estreme, ciò è possibile solo attraverso la sospensione di tutte le sue attività metaboliche comportandone uno stato di vita latente conosciuto come criptobiosi.

Gli esemplari utilizzati per l’esperimento sono adulti di Ramazzottius varieornatus Bertolani e Kinchin, 1993 raccolti dal tetto di una grondaia nella città di Nivå in Danimarca e conservati a – 20°C fino ad ottobre 2020.

Per preparare il campione all’esperimento, i tardigradi sono stati scongelati diluendoli in acqua pura e con l’utilizzo di pipette di vetro Pasteur adagiati singolarmente su carta da filtro tagliata a forma quadrata di circa 150 µm di lunghezza. Il tardigrado sul substrato è stato successivamente essiccato. L’essiccamento induce il tardigrado in uno stato ametabolico, conosciuto come stato “tun”: il corpo si contrae longitudinalmente perdendo così volume e le zampe del tardigrado si ritirano. Nello stato tun, il tardigrado appare di forma cuboide e il ripristino alla sua forma originale può avvenire solo con la reintroduzione del tardigrado in acqua in condizioni di temperatura e pressione ottimali.

Ed è proprio questa straordinaria capacità del tardigrado di rimanere in uno stato di vita latente ad essere stata utilizzata dagli scienziati ai fini dell’esperimento quantico.

ESPERIMENTO

Il circuito quantistico utilizzato per l’esperimento contiene due bit quantici transmon, il qubit B e il qubit A, distanziati di circa 1 mm l’uno dall’altro e collegati direttamente attraverso le piastre del condensatore Shunt su ciascun qubit. L’intero chip è stato poi posizionato all’interno di una cavità di rame 3D, montato all’interno di un refrigeratore a diluizione e collegato all’elettronica microonde standard. Attraverso gli schemi di controllo e lettura utilizzati per le misurazioni quantistiche, gli scienziati hanno potuto effettuare le misurazioni dell’intero sistema.

Nella prima fase dell’esperimento, il campione, costituito dal tardigrado nello stato tun sul pezzo di carta da filtro, viene posizionato sul qubit B. Quello che ne deriva dall’aggiunta del tardigrado sul qubit è sorprendente: un sistema “accoppiato”, rilevato mediante un cambiamento nella frequenza di risonanza come conseguenza del cambiamento del mezzo dielettrico. In altre parole, il sistema bipartito produce un gap energetico differente rispetto al solo qubit con il risultante abbassamento di frequenza in presenza di interazione. Dopo aver creato questa prima interazione quantica, nella seconda fase dell’esperimento, il sistema qubit B- Tardigrado viene accoppiato col secondo qubit, il qubit A. Mediante una sequenza di impulsi, è stato prodotto un nuovo stato di entangled, questa volta dovuto dal sistema tripartito costituito dai due qubits e il tardigrado. Per la verifica dello stato entangled, gli scienziati hanno eseguito una tomografia a stato quantico nel sottospazio quadridimensionale dell’intero sistema tripartito combinato e hanno valutato che per qualsiasi forza di interazione definita applicata al tardigrado effettivamente esso ne risultava modellato dai qubits, dimostrando così che sia possibile l’entanglement tra un sistema biologico e uno fisico.

CONCLUSIONI

Grazie a questo lavoro, gli scienziati, non solo hanno “abbattuto” in qualche maniera la barriera dell’impossibilità di condurre esperimenti quantistici su organismi viventi mantenendo le funzionalità biologiche inalterate, ma hanno aperto la strada a nuovi scenari per il futuro riguardo agli studi nel campo della biologia quantistica e alla possibilità di una futura creazione dei sistemi ibridi costituiti da materia vivente e bit quantistici.

Inoltre, i sistemi quantistici hanno bisogno di condizioni drastiche per poter funzionare adeguatamente ed il tardigrado, utilizzato per effettuare l’esperimento, è stato per 420 ore a temperature di gran lunga inferiori allo zero, ovvero a 10 mK e a pressione di 6X10^-6   mbar per poi essere riportato in maniera graduata, una volta terminato il lavoro, nelle sue condizioni ottimali di temperatura e pressione. Sopravvivendo a queste condizioni estreme a cui è stato sottoposto, il tardigrado ha battuto un nuovo record per quanto riguarda le condizioni di sopravvivenza di una forma di vita complessa!

FONTI

https://arxiv.org/abs/2112.07978

Immagine di copertina: Tardigrado in stato TUN