新發現！人類大腦就是台量子計算機：如此神奇

一個過去看似牽強的理論提供了一種新思路，這使得大腦可能像量子計算機一樣運作。

只要提到“量子意識”，大多數物理學家都會敗下陣來，因為這個概念似乎只是一個現代大牛提出的模糊且無聊的想法。但如果這個假設能夠得以證實的話，那麼也就是説量子效應可能確實會影響人類認知。去年年底，加州大學聖巴巴拉分校的物理學家Matthew Fisher在《物理學年鑑》上發表了一篇論文，文中提出磷原子的核自旋可以作為大腦中的初級“量子比特”，（也叫作量子位，qubit）這使大腦能夠像一個量子計算機那樣運作。

人類大腦是台量子計算機?量子物理能解釋意識嗎?

在過去的十年裏，Fisher的假説被許多人所否定，他的想法被認為完全是胡説八道。*物理學家之所以這麼認為是因為有前車之鑑，最著名的就是發生在1989年的那件事，當時Roger Penrose提出一種叫做“微管”的神秘蛋白質結構，微管可以利用量子效應在人類意識中發揮作用。*幾乎沒有研究者認為這樣的假設合理。

加利福尼亞大學聖地亞哥的神經哲學家Patricia Churchland認為這個假説完全就是用“突觸中的小精靈”來解釋人類的認知，這成為了後來的主流觀點。（“突觸中的小精靈”意為除非擁有發生童話故事中那樣魔法力量，不然Roger Penrose假説中的情況不可能發生，以此來説明Roger Penrose假説的荒謬性）

Fisher提出的假説與“微管”一樣，同樣面臨着難以跨越的障礙：一種稱為量子退相干的現象。要建造起一台能夠運作的量子計算機，需要連接量子比特，（量子比特能夠存儲大量的信息）連接量子比特這個過程被稱之為量子糾纏。但糾纏的量子處於十分脆弱的狀態。它們必須小心翼翼，免受周圍環境中的任何干擾。在量子系統中，只要有一個光子觸碰到量子比特，就足以使整個系統消散，量子狀態就會“退相干”成一個平淡無奇的普通狀態，存儲在量子狀態中的信息就會損失掉，消散在周圍的環境中。在可以嚴格控制的實驗室環境中進行量子處理就已經頗具挑戰性，更不用説在温暖潮濕的大腦裏，晃盪擁擠的分子就像一鍋熱湯，幾乎不可能維持相干狀態。

然而，在過去十年中，越來越多的證據表明某些生物系統可能採用量子力學。例如，在光合作用中，量子效應可以幫助植物將陽光變成燃料。科學家們還提出，候鳥有一個“量子指南針”使之能夠利用地球的磁場進行導航，抑或人類的味覺可能也源自於量子力學。

Fisher在大腦中進行量子處理的這個概念廣泛適用於被稱之為量子神經科學的新興的量子生物學領域。他提出了一個十分複雜的假設，糅合了核和量子物理，有機化學，神經科學和生物學等多個學科。雖然他的想法仍然受到大量且合理的質疑，但也有些研究人員慢慢開始注意他的想法了。加利福尼亞理工學院物理學家John Preskill寫道，“那些讀了他的論文的人（我希望很多人會這麼認為）肯定會得出這樣的結論：這個老傢伙不是那麼瘋狂。他可能意識到了一些事情，至少他提出了一些非常有趣的問題。”

麻省理工學院的物理學家SenthilTodadri，作為Fisher多年的好友和同事，他同樣持懷疑態度，但他認為Fisher已經把核心問題轉變到了——量子處理是在大腦中發生的？——這需要有嚴格的測試來驗證這種情況的可能性。Todadri説：“一般的假設都是，在大腦中絕對不會存在量子信息處理的情況。他提出的這個想法在學界完全是一個空白的領域，所以下一步就要看他是否能夠自圓其説了。”事實上，Fisher已經開始組建了一個團隊來進行實驗室測試，以期回答所有人關於這個問題的質疑。

Fisher出生於物理學世家，他的父親Michael E. Fisher是馬里蘭大學帕克學院一名傑出德邦物理學家，縱觀他父親的整個職業生涯，其在統計物理學方面的工作獲得了諸多榮譽和獎勵。他的兄弟Daniel Fisher是斯坦福大學的應用物理學家，專攻進化動力學。Matthew Fisher一直緊跟他們的腳步，朝着成為一名傑出的物理學家而不斷努力。就在2015年，他還因量子相變的研究獲得了奧利弗�巴克利獎。

*那麼是什麼驅使他遠離主流物理學，走向充滿爭議且混亂的，糅合了生物學，化學，神經科學和量子物理學的領域呢？(*即有關在大腦中進行量子處理的假説)，這主要是源自於一次自己與抑鬱症的鬥爭。

Fisher深深地記得，1986年2月那天早上，當他醒來時感覺到十分麻木和泄氣，彷彿一個星期都沒有睡覺。他説：“我覺得我就跟吸毒了一樣。”睡得再多也都沒有用，調整飲食和運動方式也完全是徒勞，但是血液測試卻顯示沒有什麼毛病，一切正常。就這樣，他的病情整整持續了兩年。他説：“每當我醒來，偏頭痛的感覺遍佈整個身體。”他的狀況十分糟糕，甚至考慮過要自殺，直到他第一個女兒的誕生，這給了他一個繼續與抑鬱症進行抗爭的理由。

最後，他還是找了一個精神病醫生給他開了三環類抗抑鬱藥，三個星期之後，他的精神狀態便有所好轉。Fisher説：“厚厚的霧完全籠罩着我，使我無法看到太陽，但那雲卻不是太密集，我能從它的背後看見光。”九個月後，他彷彿重獲新生，儘管藥物有着一些明顯的副作用，比如説致使他的血壓升高。後來，他轉而使用百憂解（含fluoxetine氟西汀，也是一種抗抑鬱藥），並就不斷監測和調整自己的特殊藥物治療方案。

Fisher自身的經歷使他確信這些藥是有效的。但令Fisher吃驚是，他發現神經科學家對於它們是如何發揮藥效知之甚少。這激發了Fisher的好奇心，鑑於他在量子力學方面擁有豐富的專業知識，他開始思考在大腦中量子處理的可能性。五年前，利用自己使用抗抑鬱藥這一經歷作為起點，他全身心地投入到關於這個問題的學習當中去。

幾乎所有的精神藥物都是複雜的分子，而他專注於其中一種最簡單的鋰，這只是一個原子，換句話來説，這將是一個比百憂解更容易研究的模型。Fisher説，這種類比還是比較恰當的，因為鋰原子是一種圍繞原子核的電子球。他指出，一般從當地藥房買到的處方藥，其中可以得到的鋰主要是一種常見的，被稱為鋰-7的同位素。不同的同位素，例如更罕見的鋰-6，是否會產生相同的結果？理論上應該是會產生同樣的結果，因為兩種同位素在化學上完全一致，它們的區別僅在於核中的中子數。

當Fisher梳理文獻時，他發現了一個鋰-6和鋰-7效果的對比實驗。1986年，康奈爾大學的科學家研究了兩種同位素對老鼠行為的影響。實驗把懷孕的老鼠分成三組：一組給予鋰-7，一組給予同位素鋰-6，第三組作為對照組。一旦幼仔出生，再觀察它們清潔、起居、護理幼崽、築巢、進食等活動，結果顯示，餵養鋰-6的大鼠活性顯著高於對照組或飼餵鋰-7的大鼠。

這難倒了Fisher。這兩種同位素的化學性質不僅相同，原子質量的細微差別在很大程度上也會被體內環境所消除。那麼，什麼可以解釋研究人員所觀察到的這些老鼠在行為上的差異？

Fisher認為，秘密可能在於核自旋，這是一個量子力學性質，簡單地説，自旋度量了原子核能“感覺”到多少電場和磁場的程度。自旋越大，相互作用力就越大。如果一個原子核具有最低可能的自旋值，那麼它與電場之間幾乎沒有任何相互作用，僅有一個非常小的磁場作用。

因為鋰-7和鋰-6擁有不同數量的中子，所以他們的自旋也是不同的。因此，就想達到量子認知的目的的話，鋰-7脱離的速度太快了，而鋰-6原子核自旋更加穩定，能夠保持更長的時間。

Fisher發現了兩種對量子自旋來説很重要的物質，並發現它們也可以對行為會產生非常不同的影響。對於Fisher來説，這可能意味着量子處理可能確實在人的認知過程中發揮作用。

然而，從一個有趣的假設到實際證明，確定量子處理在大腦中扮演一個角色是一個艱鉅的挑戰。大腦需要一些機制來讓存儲在量比特中的量子信息保存足夠長的時間。必須有一個多量子比特糾纏機制，使得量子糾纏能夠通過有可行的化學手段，在某種程度上影響神經元。還必須有一些方法讓傳輸量子信息的量子比特存儲在大腦中。

這是一個很高的要求。在他過去五年的研究中，Fisher唯一確定可能在大腦中存儲量子信息的就是磷原子，這只是一種除氫之外常見的生物元素，其自旋量為1/2，一個低到可能保持足夠長相干時間的數字。據Fisher所言，磷不能獨立地產生穩定的量子比特，但是把磷和鈣離子進行集羣，它的相干時間可以進一步延長。

1975年，康奈爾大學科學家Aaron Posner注意到在他X光片中的骨頭上，鈣和磷原子奇怪地集羣在一起。後來這稱為波斯納分子或波斯納集羣（Posner molecule or cluster）的磷酸鈣結構，這個結構包括九個鈣原子和六個磷原子。在2000年，當科學家模擬體液中的骨生長時再次觀測到這種集羣，並注意到它們在體液中漂浮。隨後的實驗中，同樣發現了人體內存在波斯納集羣的證據。Fisher認為波斯納分子也可以作為大腦中的天然量子比特。

這是一幅巨大的藍圖，但是Fisher已經花了幾年時間來推敲其中的細節。該過程在具有焦磷酸鹽的化合物的細胞中開始，細胞由兩個鍵合在一起的磷酸鹽組成，每個磷酸鹽又由被多個氧原子圍繞且具有零自旋的磷原子組成。磷酸鹽自旋之間的相互作用會使之糾纏。它們可以以四種不同的配對方式：其中三種組態會疊加成為一個總自旋（“三重態”，僅是一種微弱的糾纏狀態），但是第四種可能會產生零自旋或“單重態”，這種狀態會產生這對於量子計算至關重要的最大化量子糾纏。

接着，焦磷酸酶能打破2個相連的磷酸根離子結構，產生兩個單離子。關鍵的是，即使兩個遊離磷酸根離子分離開來了，兩個離子的核自旋應該還是處於量子糾纏態的。Fisher認為，“單重態”的情況下會發生得更快。這些離子就可以依次與鈣離子和氧原子結合成為波納斯分子。鈣和氧原子都不具有核自旋，因此總體保持了1/2自旋對於延長相干時間來説是至關重要的。這樣波納斯分子就能免受外界干擾而長時間維持糾纏態，Fisher估計波納斯分子的糾纏態大約會維持幾個小時，幾天甚至幾個星期。

量子糾纏以這種方式可以在大腦中大量覆蓋，從而影響神經遞質的釋放和神經元之間突觸的傳遞——一項在大腦中不可思議的工作。

在量子生物學領域工作的研究人員對Fisher的提議持謹慎好奇的態度。 Alexandra Olaya-Castro，倫敦大學學院研究量子光合作用的物理學家，稱之為“一個深思熟慮的假設。它並沒有給出確切答案，但是卻打開了如何在實驗中利用具體的步驟檢驗假説的思路。”

Peter Hore，牛津大學研究候鳥導航系統是否利用量子效應的化學家，對Olaya-Castro説的話表示贊同。他説，“這位理論物理學家，提出了可能影響大腦活動的具體分子和運作機制。這拓展了實驗測試的可能性。”

實驗測試也是Fisher現階段最想做好的事情。他花了整整一個假期的時間，與研究人員在斯坦福大學複製1986年那個用懷孕老鼠做的研究。他承認實驗初步的結果令人失望，因為實驗數據未能提供更多信息，但如果實驗報告能跟1986年的實驗保持一致，結果可能更有説服力。

Fisher已經申請了資金以進行更深入的量子化學實驗。他聚集了一小部分來自加州大學聖塔芭芭拉分校和加利福尼亞大學舊金山分校各個學科的科學家，大家一起合作研究。首先，他想調查磷酸鈣是否真的形成穩定的波納斯分子，以及這些分子的磷核自旋是否可以糾纏足夠長的時間。

然而Hore和Olaya-Castro對後者持懷疑態度，尤其是根據Fisher的粗略估計，量子相干能夠持續一天或更甚。Olaya-Castro説，“老實説，我認為這不太可能，這過程中發生的生物化學活動最多就是以秒來計算，一天這時間也太長了。”（神經元可以存儲微秒的信息）Hore建議最好將時間限制在秒以內。他説，“我認為他需要考慮獲得更長相干時間的可能是其他分子，至少我認為波斯納分子不是，當然這並不意味着他的整個假説是錯誤的，我期待着聽到一個合理的解釋。”

其他人認為根本沒有必要提出用量子處理來解釋大腦功能。加拿大安大略省滑鐵盧大學的神經哲學家Paul Thagard向《New Scientist》雜誌解釋道：“關於大腦神經元相互作用影響認知的證據正在進一步完善。”（Thagard拒絕了我們進一步評論的請求。）

波納斯分子的結構是否對稱？核自旋是如何獨立運行？Fisher的假説有很多地方仍待驗證，同樣地，他也希望能夠通過實驗得以驗證。

不過最重要的是，如果所有這些實驗最終都證明他的假設是錯的？也許就是該放棄量子認知想法的時候了。“我相信，如果磷核自旋不適用於量子處理，那麼在以後很長一段時間內，大家都會認為量子力學在認知方面是無效的。”Fisher説，“科學地指出這一點也十分重要，對於科學發展而言，知道這一點也是好的。”