新发现!人类大脑就是台量子计算机:如此神奇

新发现!人类大脑就是台量子计算机:如此神奇

  一个过去看似牵强的理论提供了一种新思路,这使得大脑可能像量子计算机一样运作

  只要提到“量子意识”,大多数物理学家都会败下阵来,因为这个概念似乎只是一个现代大牛提出的模糊且无聊的想法。但如果这个假设能够得以证实的话,那么也就是说量子效应可能确实会影响人类认知。去年年底,加州大学圣巴巴拉分校的物理学家Matthew Fisher在《物理学年鉴》上发表了一篇论文,文中提出磷原子的核自旋可以作为大脑中的初级“量子比特”,(也叫作量子位,qubit)这使大脑能够像一个量子计算机那样运作。

  人类大脑是台量子计算机?量子物理能解释意识吗?

Matthew Fisher提出一种量子效应影响大脑工作的方法。

  在过去的十年里,Fisher的假说被许多人所否定,他的想法被认为完全是胡说八道。物理学家之所以这么认为是因为有前车之鉴,最著名的就是发生在1989年的那件事,当时Roger Penrose提出一种叫做“微管”的神秘蛋白质结构,微管可以利用量子效应在人类意识中发挥作用。 几乎没有研究者认为这样的假设合理。

  加利福尼亚大学圣地亚哥的神经哲学家Patricia Churchland认为这个假说完全就是用“突触中的小精灵”来解释人类的认知,这成为了后来的主流观点。(“突触中的小精灵”意为除非拥有发生童话故事中那样魔法力量,不然Roger Penrose假说中的情况不可能发生,以此来说明Roger Penrose假说的荒谬性)

  Fisher提出的假说与“微管”一样,同样面临着难以跨越的障碍:一种称为量子退相干的现象要建造起一台能够运作的量子计算机,需要连接量子比特,(量子比特能够存储大量的信息)连接量子比特这个过程被称之为量子纠缠。但纠缠的量子处于十分脆弱的状态 。它们必须小心翼翼,免受周围环境中的任何干扰。在量子系统中,只要有一个光子触碰到量子比特,就足以使整个系统消散,量子状态就会“退相干”成一个平淡无奇的普通状态,存储在量子状态中的信息就会损失掉,消散在周围的环境中。在可以严格控制的实验室环境中进行量子处理就已经颇具挑战性,更不用说在温暖潮湿的大脑里,晃荡拥挤的分子就像一锅热汤,几乎不可能维持相干状态。

  然而,在过去十年中,越来越多的证据表明某些生物系统可能采用量子力学 。例如,在光合作用中,量子效应可以帮助植物将阳光变成燃料 。科学家们还提出,候鸟有一个“量子指南针”使之能够利用地球的磁场进行导航,抑或人类的味觉可能也源自于量子力学。

  Fisher在大脑中进行量子处理的这个概念广泛适用于被称之为量子神经科学的新兴的量子生物学领域。他提出了一个十分复杂的假设,糅合了核和量子物理,有机化学,神经科学和生物学等多个学科。虽然他的想法仍然受到大量且合理的质疑,但也有些研究人员慢慢开始注意他的想法了。加利福尼亚理工学院物理学家John Preskill写道,“那些读了他的论文的人(我希望很多人会这么认为)肯定会得出这样的结论:这个老家伙不是那么疯狂。他可能意识到了一些事情,至少他提出了一些非常有趣的问题。”

  麻省理工学院的物理学家SenthilTodadri,作为Fisher多年的好友和同事,他同样持怀疑态度,但他认为Fisher已经把核心问题转变到了——量子处理是在大脑中发生的?——这需要有严格的测试来验证这种情况的可能性。Todadri说:“一般的假设都是,在大脑中绝对不会存在量子信息处理的情况。他提出的这个想法在学界完全是一个空白的领域,所以下一步就要看他是否能够自圆其说了。”事实上,Fisher已经开始组建了一个团队来进行实验室测试,以期回答所有人关于这个问题的质疑。

  Fisher出生于物理学世家,他的父亲Michael E. Fisher是马里兰大学帕克学院一名杰出德邦物理学家,纵观他父亲的整个职业生涯,其在统计物理学方面的工作获得了诸多荣誉和奖励。他的兄弟Daniel Fisher是斯坦福大学的应用物理学家,专攻进化动力学。Matthew Fisher一直紧跟他们的脚步,朝着成为一名杰出的物理学家而不断努力。就在2015年,他还因量子相变的研究获得了奥利弗?巴克利奖。

  那么是什么驱使他远离主流物理学,走向充满争议且混乱的,糅合了生物学,化学,神经科学和量子物理学的领域呢?( 即有关在大脑中进行量子处理的假说),这主要是源自于一次自己与抑郁症的斗争。

  Fisher深深地记得,1986年2月那天早上,当他醒来时感觉到十分麻木和泄气,仿佛一个星期都没有睡觉。他说:“我觉得我就跟吸毒了一样。”睡得再多也都没有用,调整饮食和运动方式也完全是徒劳,但是血液测试却显示没有什么毛病,一切正常。就这样,他的病情整整持续了两年。他说:“每当我醒来,偏头痛的感觉遍布整个身体。”他的状况十分糟糕,甚至考虑过要自杀,直到他第一个女儿的诞生,这给了他一个继续与抑郁症进行抗争的理由。

  最后,他还是找了一个精神病医生给他开了三环类抗抑郁药,三个星期之后,他的精神状态便有所好转。Fisher说:“厚厚的雾完全笼罩着我,使我无法看到太阳,但那云却不是太密集,我能从它的背后看见光。”九个月后,他仿佛重获新生,尽管药物有着一些明显的副作用,比如说致使他的血压升高。后来,他转而使用百忧解(含fluoxetine氟西汀,也是一种抗抑郁药),并就不断监测和调整自己的特殊药物治疗方案。

  Fisher自身的经历使他确信这些药是有效的。但令Fisher吃惊是,他发现神经科学家对于它们是如何发挥药效知之甚少。这激发了Fisher的好奇心,鉴于他在量子力学方面拥有丰富的专业知识,他开始思考在大脑中量子处理的可能性 。五年前,利用自己使用抗抑郁药这一经历作为起点,他全身心地投入到关于这个问题的学习当中去。

  几乎所有的精神药物都是复杂的分子,而他专注于其中一种最简单的锂,这只是一个原子,换句话来说,这将是一个比百忧解更容易研究的模型。Fisher说,这种类比还是比较恰当的,因为锂原子是一种围绕原子核的电子球。他指出,一般从当地药房买到的处方药,其中可以得到的锂主要是一种常见的,被称为锂-7的同位素。不同的同位素,例如更罕见的锂-6,是否会产生相同的结果?理论上应该是会产生同样的结果,因为两种同位素在化学上完全一致,它们的区别仅在于核中的中子数。

  当Fisher梳理文献时,他发现了一个锂-6和锂-7效果的对比实验。1986年,康奈尔大学的科学家研究了两种同位素对老鼠行为的影响。实验把怀孕的老鼠分成三组:一组给予锂-7,一组给予同位素锂-6,第三组作为对照组。一旦幼仔出生,再观察它们清洁、起居、护理幼崽、筑巢、进食等活动,结果显示,喂养锂-6的大鼠活性显著高于对照组或饲喂锂-7的大鼠。

  这难倒了Fisher。这两种同位素的化学性质不仅相同,原子质量的细微差别在很大程度上也会被体内环境所消除。那么,什么可以解释研究人员所观察到的这些老鼠在行为上的差异?

  Fisher认为,秘密可能在于核自旋,这是一个量子力学性质,简单地说,自旋度量了原子核能“感觉”到多少电场和磁场的程度。自旋越大,相互作用力就越大。如果一个原子核具有最低可能的自旋值,那么它与电场之间几乎没有任何相互作用,仅有一个非常小的磁场作用。

  因为锂-7和锂-6拥有不同数量的中子,所以他们的自旋也是不同的。因此,就想达到量子认知的目的的话,锂-7脱离的速度太快了,而锂-6原子核自旋更加稳定,能够保持更长的时间。

  Fisher发现了两种对量子自旋来说很重要的物质,并发现它们也可以对行为会产生非常不同的影响。对于Fisher来说,这可能意味着量子处理可能确实在人的认知过程中发挥作用。

  然而,从一个有趣的假设到实际证明,确定量子处理在大脑中扮演一个角色是一个艰巨的挑战。大脑需要一些机制来让存储在量比特中的量子信息保存足够长的时间。必须有一个多量子比特纠缠机制,使得量子纠缠能够通过有可行的化学手段,在某种程度上影响神经元。还必须有一些方法让传输量子信息的量子比特存储在大脑中。

  这是一个很高的要求。在他过去五年的研究中,Fisher唯一确定可能在大脑中存储量子信息的就是磷原子,这只是一种除氢之外常见的生物元素,其自旋量为1/2,一个低到可能保持足够长相干时间的数字。据Fisher所言,磷不能独立地产生稳定的量子比特,但是把磷和钙离子进行集群,它的相干时间可以进一步延长。

  1975年,康奈尔大学科学家Aaron Posner注意到在他X光片中的骨头上,钙和磷原子奇怪地集群在一起。后来这称为波斯纳分子或波斯纳集群(Posner molecule or cluster)的磷酸钙结构,这个结构包括九个钙原子和六个磷原子。在2000年,当科学家模拟体液中的骨生长时再次观测到这种集群,并注意到它们在体液中漂浮。随后的实验中,同样发现了人体内存在波斯纳集群的证据。Fisher认为波斯纳分子也可以作为大脑中的天然量子比特。

  这是一幅巨大的蓝图,但是Fisher已经花了几年时间来推敲其中的细节。该过程在具有焦磷酸盐的化合物的细胞中开始,细胞由两个键合在一起的磷酸盐组成,腾讯分分彩计划每个磷酸盐又由被多个氧原子围绕且具有零自旋的磷原子组成。磷酸盐自旋之间的相互作用会使之纠缠。它们可以以四种不同的配对方式:其中三种组态会叠加成为一个总自旋(“三重态”,仅是一种微弱的纠缠状态),但是第四种可能会产生零自旋或“单重态”,这种状态会产生这对于量子计算至关重要的最大化量子纠缠。

  接着,焦磷酸酶能打破2个相连的磷酸根离子结构,产生两个单离子。关键的是,即使两个游离磷酸根离子分离开来了,两个离子的核自旋应该还是处于量子纠缠态的。Fisher认为,“单重态”的情况下会发生得更快。这些离子就可以依次与钙离子和氧原子结合成为波纳斯分子。钙和氧原子都不具有核自旋,因此总体保持了1/2自旋对于延长相干时间来说是至关重要的。这样波纳斯分子就能免受外界干扰而长时间维持纠缠态,Fisher估计波纳斯分子的纠缠态大约会维持几个小时,几天甚至几个星期。

  量子纠缠以这种方式可以在大脑中大量覆盖,从而影响神经递质的释放和神经元之间突触的传递——一项在大脑中不可思议的工作。

  在量子生物学领域工作的研究人员对Fisher的提议持谨慎好奇的态度。 Alexandra Olaya-Castro,伦敦大学学院研究量子光合作用的物理学家,称之为“一个深思熟虑的假设。它并没有给出确切答案,但是却打开了如何在实验中利用具体的步骤检验假说的思路。”

  Peter Hore,牛津大学研究候鸟导航系统是否利用量子效应的化学家,对Olaya-Castro说的话表示赞同。他说,“这位理论物理学家,提出了可能影响大脑活动的具体分子和运作机制。这拓展了实验测试的可能性。”

  实验测试也是Fisher现阶段最想做好的事情。他花了整整一个假期的腾讯分分彩app时间,与研究人员在斯坦福大学复制1986年那个用怀孕老鼠做的研究。他承认实验初步的结果令人失望,因为实验数据未能提供更多信息,但如果实验报告能跟1986年的实验保持一致,结果可能更有说服力。

  Fisher已经申请了资金以进行更深入的量子化学实验。他聚集了一小部分来自加州大学圣塔芭芭拉分校和加利福尼亚大学旧金山分校各个学科的科学家,大家一起合作研究。首先,他想调查磷酸钙是否真的形成稳定的波纳斯分子,以及这些分子的磷核自旋是否可以纠缠足够长的时间。

  然而Hore和Olaya-Castro对后者持怀疑态度,尤其是根据Fisher的粗略估计,量子相干能够持续一天或更甚。Olaya-Castro说,“老实说,我认为这不太可能,这过程中发生的生物化学活动最多就是以秒来计算,一天这时间也太长了。”(神经元可以存储微秒的信息)Hore建议最好将时间限制在秒以内。他说,“我认为他需要考虑获得更长相干时间的可能是其他分子,至少我认为波斯纳分子不是,当然这并不意味着他的整个假说是错误的,我期待着听到一个合理的解释。”

  其他人认为根本没有必要提出用量子处理来解释大脑功能。加拿大安大略省滑铁卢大学的神经哲学家Paul Thagard向《New Scientist》杂志解释道:“关于大脑神经元相互作用影响认知的证据正在进一步完善。”(Thagard拒绝了我们进一步评论的请求。)

  波纳斯分子的结构是否对称?核自旋是如何独立运行?Fisher的假说有很多地方仍待验证,同样地,他也希望能够通过实验得以验证。

  不过最重要的是,如果所有这些实验最终都证明他的假设是错的?也许就是该放弃量子认知想法的时候了。“我相信,如果磷核自旋不适用于量子处理,那么在以后很长一段时间内,大家都会认为量子力学在认知方面是无效的。”Fisher说,“科学地指出这一点也十分重要,对于科学发展而言,知道这一点也是好的。”

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