大腦可能是量子計算機？

胡勇

一直以來，我們很難說清楚人為什么會有思想和意識，雖然我們早就了解了大腦的基本組成。大腦能夠思考的基礎是神經(jīng)細胞，所有神經(jīng)的活動都是電的活動，神經(jīng)元通過接受、整合、傳導和輸出脈沖電波實現(xiàn)信息交換。這似乎跟電子計算機很像，但任何標準的經(jīng)典計算機模型都無法解釋大腦是如何產(chǎn)生思維和意識體驗的。

美國加州大學圣芭芭拉分校教授馬修·費雪提出了一個問題：大腦使用量子力學嗎？在某種程度上答案是肯定的，因為大腦由原子組成，原子遵循量子物理定律。但費雪真正的意思是：量子物體的奇特性質（比如疊加態(tài)和量子糾纏）是否可以解釋人類的意識問題？

高效率的量子計算機

人的大腦有100多億個神經(jīng)細胞，每天能處理生活中大約8600萬條信息，可以同時完成多個任務，是一個高效率的生物處理中心。量子計算機的計算處理能力為什么能和我們的大腦相提并論呢？原因就在于量子的疊加態(tài)和量子糾纏。經(jīng)典計算機的基本單位為比特，一個比特只能處于0或1的兩種二進制狀態(tài)之一，而量子計算機的基本單位為量子比特，量子比特處于疊加態(tài)，也就是說一個量子比特可以同時處于“0”狀態(tài)和“1”狀態(tài)。

在量子的世界中，兩個處于糾纏態(tài)的粒子一旦分開，不論分開多遠，如果對其中一個粒子施加作用，另一個粒子會立即發(fā)生變化，這就是詭異的量子糾纏。應用這一點，彼此有關的量子比特串列，會成為一個整體，只要對一個量子比特進行處理，影響就會立即傳送到串列中多余的量子比特。量子計算機高效率運算的關鍵就在于量子糾纏。就好比當你走到一個岔路口，眼前有n條路可選，只能先走一條路然后再走一條路，直到最終找到對的那條，這是經(jīng)典計算機的邏輯。而量子計算機就像孫悟空一樣，可以變出無數(shù)的分身，同時走不同的路，這大大提高了計算效率。量子計算機中信息多向流動的方式也與大腦實際情況相似。

需要注意的是，量子糾纏是極其脆弱的，它必須小心避開周圍環(huán)境的任何擾動，如果糾纏的粒子與周圍環(huán)境相互作用，量子糾纏就會消失。例如，一個光子撞擊到量子比特就足以讓整個系統(tǒng)解碼，摧毀糾纏并消除系統(tǒng)的量子特性。

站不住腳的客觀還原理論

實際上，費雪并不是第一個將大腦與量子科學聯(lián)想到一起的人。美國神經(jīng)學家哈梅羅夫和英國物理學家彭羅斯就曾共同提出“編制-客觀還原理論”，他們認為意識是產(chǎn)生于量子水平的時空結構，其生理基礎是神經(jīng)元內部的“微管”結構。單個神經(jīng)元的細胞骨架基本上由兩種結構——神經(jīng)絲和微管——組成的蛋白質網(wǎng)絡構成，其對于神經(jīng)元（以及其他細胞）內的各種運輸過程是必需的。每個微管都有很多電子，而且相距很近，所以每個微管都可以處于量子糾纏的狀態(tài)。

“編制”是說，神經(jīng)元突觸輸入端利用微管“精心編制”了量子計算機;“客觀還原”是說，意識起始于疊加態(tài)，由于意識的自我塌陷而使多重世界還原為一個確定的世界。彭羅斯和哈梅羅夫在一段時間內，都認為這一假想是非常明智的，但是它很快就出現(xiàn)了漏洞。最大的問題是，疊加和糾纏都是極其脆弱的現(xiàn)象。即使在低溫和機械隔離的條件下，要保持量子比特網(wǎng)絡足夠長時間的一致性，使其能夠做出任何超出傳統(tǒng)計算機能力的事情，也是十分困難的。在溫暖、潮濕的大腦里，分子在不停地晃動、碰撞，想要保持量子糾纏更是不可能的事情。計算表明，在處理信息方面，微管疊加只能維持十幾秒。因此，這種想法很快就被放棄了。

精神科藥物中的量子自旋

費雪之前的研究并沒有涉及到神經(jīng)科學領域，那么是什么驅使他從主流物理學轉向神經(jīng)科學與量子物理的交界呢？實際上，費雪本人有非常嚴重的抑郁癥，并且一直在服用精神科藥物，這些藥物的作用顯著。然而，費雪發(fā)現(xiàn)沒人知道精神科藥物是如何起作用的，包括神經(jīng)科學家也不能準確地說清楚。

費雪選擇研究一下所有精神科藥物中最簡單的一種——鋰，鋰經(jīng)常被用來治療精神性興奮，它是預防和治療狂躁或雙向情感精神病的有效藥物。藥店中可以買到的鋰主要是鋰-7，卻很少看到同位素鋰-6，理論上這兩種同位素在化學上是相同的，只是原子核中的中子數(shù)不同。在梳理科學文獻時，費雪偶然發(fā)現(xiàn)了1986年的一份實驗報告，在實驗中，兩組小鼠分別被喂食了鋰的兩種穩(wěn)定同位素之一：鋰-6和鋰-7。研究人員觀察小鼠梳理毛發(fā)、哺乳幼崽、筑巢等一些行為后發(fā)現(xiàn)，那些喂食鋰-6的小鼠比那些喂食鋰-7的小鼠要活躍得多。

這兩種同位素的化學性質不僅應該是相同的，原子質量的細微差別也在很大程度上被身體的水環(huán)境沖淡了。那么，研究人員觀察到的行為差異的原因是什么呢？費雪認為，這個秘密可能存在于核自旋中，核自旋是一種量子性質，它會影響到每個原子在與周圍環(huán)境隔絕的情況下保持相干狀態(tài)的時間。自旋越低，原子核與電場和磁場的相互作用就越小，它釋放的速度就越慢。由于鋰-7和鋰-6的中子數(shù)不同，它們的自旋也不同。在像大腦這樣的環(huán)境中，電場大量存在，自旋值較低的鋰-6可以保持更長時間的糾纏。早在20世紀70年代，就有實驗表明，鋰-6可以保持長達5分鐘的穩(wěn)定自旋。對費雪來說，這是一個暗示：量子效應可能確實在大腦處理過程中扮演了一個功能性的角色。

大腦內的量子比特

鋰-6并不是在大腦中自然產(chǎn)生的，為了證明大腦使用量子力學可能，就需要找到大腦內能夠做量子比特的物質。大腦中許多生物化學反應的活躍參與者——磷是一種低自旋的原子核，由于自旋較低，它可以保持很長時間的糾纏。經(jīng)過對生物環(huán)境中各種基于磷的分子的相干時間的詳盡計算，費雪公開了一個候選的量子比特，它是一種磷酸鈣結構，被稱為“波斯納分子”——以其發(fā)現(xiàn)者康奈爾大學科學家亞倫·波斯納來命名的。

通過測試，費雪發(fā)現(xiàn)這些分子的糾纏時間可以達到105秒。他還在大腦中發(fā)現(xiàn)了一種化學反應，他認為這種反應會自然地在波斯納分子內的核自旋之間產(chǎn)生糾纏態(tài)，這個反應是一個使用了焦磷酸酶的鈣吸收和脂肪代謝的過程。這種酶會將兩個相互連接的磷酸鹽離子拆開，產(chǎn)生兩個單獨的離子。理論上，這兩個離子中的核自旋應該是量子糾纏的。將它們釋放到細胞周圍的液體中，它們可以與鈣離子結合形成波斯納分子。

如果這一切都是正確的，大腦細胞外的液體中可能會充斥著復雜的、高度糾纏在一起的波斯納分子群。一旦進入神經(jīng)元，這些分子就開始改變細胞的信號和反應方式，開始形成思想和記憶。

對于費雪的假說，仍然有很多的質疑，驗證大腦是否使用量子力學的道路還很長。但費雪的假說為我們提供了一種可能，也讓更多的科學家開始研究生物過程中量子力學的應用。