國際合作將調查大腦的量子計算潛力

計算機和大腦很容易被視為相似的，他們都可以處理信息和做出決定，並處理輸入和輸出。但一些科學家認為，大腦難以置信的複雜性只能用量子力學來解釋。換句話說，像量子糾纏和疊加這樣的現象，量子物理學中所有棘手的東西，實際上都是我們大腦內經常發生的事情。

圖片來自：加州大學聖芭芭拉分校

我們人類自己的大腦有可能執行先進的量子計算？這是加州大學聖巴巴拉分校(UCSB)理論物理學家Matthew Fisher多年來一直在問的問題。現在，作為新量子腦計劃(QuBrain)的科學總監，他正在試圖通過嚴格的實驗測試來進行這項調查。

「也許我們自己是量子計算機，而不僅僅是設計和建造量子計算機的聰明機器人？」Fisher問道。

例如，大腦執行的一些功能繼續避開神經科學，即「持有」非常長期記憶以及它如何操作的基質。量子力學涉及原子和亞原子水平上的自然行為，可能能夠解開一些線索。而這反過來又會對許多層面產生重大影響，從量子計算和材料科學到生物學、心理健康甚至是人類。

量子計算在我們的大腦中的想法並不是一個新概念。事實上，一些科學家以及那些科學水平較低的科學家進行了一段時間的研究嘗試。但Fisher是量子力學領域的世界知名專家，他已經確定了一套精確而獨特的生物組分和關鍵機制，可以為大腦中的量子處理提供基礎。Heising-Simons基金會贊助了三年120萬美元的資金，Fisher將在UCSB啟動QuBrain合作。該項目由跨越量子物理學、分子生物學、生物化學、膠體科學和行為神經科學的國際領先科學家組成，將尋求明確的實驗證據來回答我們是否可能實際上是量子計算機。

「我們非常感謝Heising-Simons基金會在量子和神經科學的前沿給予這個項目的大膽願景，」UCSB校長Henry T. Yang說。「Matthew Fisher教授是一位傑出的量子物理學家，獲得過奧利弗·E·巴克利獎，他在2015年分享了他對量子相變的研究。現在他正在走出他的傳統理論研究框架，組建國際專家團隊開發一個基於實驗的研究計劃，以確定量子過程是否存在於大腦中。他們的研究可以揭示大腦的工作方式，這可能會導致新的心理健康治療方案。因此，我們熱切期待QuBrain在未來幾年的合作研究成果。

「如果量子過程是否在大腦中發生這個問題的答案是肯定的，它可以徹底改變我們對大腦功能和人類認知的理解和治療，」UCSB化學工程教授兼QuBrain副主任Matt Helgeson說。

生物化學量子比特

量子計算機的特點在於原子和離子的無窮小系統的行為，它可以表現出量子糾纏的「量子比特」(例如「自旋」)。多個量子比特可以形成編碼，存儲和傳輸信息的網路，類似於傳統計算機中的數字比特。在我們試圖建立的量子計算機中，這些效應是在高度控制和隔離的環境中以及在低溫下產生和維持的。因此，溫暖濕潤的大腦並不被認為是展現量子效應的有利環境，因為它們應該容易被原子和分子的熱運動「沖走」。

然而，Fisher斷言核自旋(在原子的核心，而不是周圍的電子)提供了一個例外的規則。

他說：「非常獨立的核自旋可以存儲，也許可以處理，幾小時或更長時間的量子信息。」Fisher假設磷原子(身體中最豐富的元素之一)具有必要的核自旋，可以作為生物化學量子比特。合作的實驗重點之一將是監測磷原子的量子特性，特別是當經歷生物化學過程的分子中結合在一起時，兩個磷核自旋之間的糾纏。

同時，Helgeson和紐約大學化學教授Alexej Jerschow將調查Posner分子(球形磷酸鈣納米簇)的動力學和核自，以及他們是否有能力保護磷原子的核自旋量子比特，這可以促進量子信息的存儲。他們還將探索非局域量子信息處理的潛力，這種處理可以通過Posner分子的結合和解離來實現。

糾纏的神經元

在另一組實驗中，慕尼黑科技大學的科學家Tobias Fromme將研究線粒體對糾纏及其與神經元的量子耦合的潛在貢獻。他將確定這些細胞器(負責代謝和細胞信號等功能)是否可以通過其管狀網路在神經元內和神經元之間運輸Posner分子。線粒體的融合和分裂可能允許建立非局部的細胞內和細胞間的量子糾纏。隨後Posner分子的解離可以觸發鈣的釋放，與整個線粒體網路關聯，激活神經遞質釋放和隨後的突觸激發整個本質上可以稱作是神經元的量子耦合網路——這是Fromme將嘗試體外模擬的現象。

Fisher認為核自旋處理的可能性部分來自於20世紀80年代進行的研究，該研究報告了母體大鼠行為中顯著的鋰同位素依賴性。儘管考慮到相同的元素，但它們的行為依賴於鋰核中的中子數量而顯著變化。對大多數人來說一個微不足道的差異，對像Fisher這樣的量子物理學家來說，卻是一個根本性的巨大差異，這表明了核自旋的重要性。UCSB心理與腦科學的傑出教授Aaron Ettenberg將領導尋求複製和擴展這些鋰同位素實驗的調查。

「然而，你可能會認為Matthew Fisher的假設，通過QuBrain的合作研究方法對其進行測試，我們將從全新角度探索具有最新技術的神經元功能，並且具有巨大的發現潛力。」Fromme說道。同樣，據Helgeson介紹，QuBrain開展的研究有可能在生物材料、生物化學催化、溶液化學中的量子糾纏和人類情緒障礙等領域取得突破，無論量子過程是否確實發生在大腦中。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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