我們的大腦很可能就是一台高度發達的量子計算機

人的大腦可能在像量子計算機一樣運作，嗯？不是說人的大腦像計算機嗎，怎麼又扯上了量子計算機呢？

加州大學聖巴巴拉分校的物理學家 Matthew Fisher 在《物理學年鑒》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。

簡單說就是大腦中的磷原子相當於量子計算機中的量子位，如果這個假設得以驗證，那麼就可以說人的大腦像量子計算機一樣工作。

繼而，他又想到，人類大腦是台量子計算機，那麼量子物理能解釋意識嗎?

起初聽到 Fisher 的假設，幾乎所有業內人士都說，這不可能，這老頭是瘋了。

Matthew Fisher

十多年的時間裡，人們都認為 Fisher 是在胡說八道。也曾有過科學家將人的大腦與量子效應結合起來，但無一例最終得以證實。

較為著名的時間就是 1989 年 Roger Penrose 提出一種叫做「微管」的神秘蛋白質結構，他認為微管可以利用量子效應在人類意識中發揮作用。但最終也未能自圓其說。

加利福尼亞大學聖地亞哥的神經哲學家 Patricia Churchland 評價了 Roger 的想法。他認為這個假說完全就是用「突觸中的小精靈」來解釋人類的認知。

解釋一下，「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 假說中的情況不可能發生，其實就是在諷刺 Roger Penrose 假說的荒謬。

然而現在 Fisher 似乎又步了 Roger 的後塵，提出假說得能夠驗證才能讓人們信服，但是大家都知道驗證的過程是十分困難的。

這就得提到一種稱為量子退相干的現象 。這麼說吧，要想搞出一個可以用的量子計算機，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。

但是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。

這也是為什麼到現在為止量子計算機還停留在實驗室里的原因，況且實驗室條件下進行量子處理都極具挑戰性，把這活兒搬到大腦中那簡直就是天方夜譚。

我們都知道，大腦環境溫暖潮濕，但是量子需要極低的溫度才能工作，大腦里晃蕩擁擠的分子就像一鍋熱湯，幾乎不可能維持相干狀態。

這也是為什麼多數科學家對此假設嗤之以鼻的原因。但是由於科學的飛速進步，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 提出的這個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。隨著時間的推移，他的假說居然也開始被一部分人接受了。

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或許會得出這樣的結論：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」。

科學嘛，得靠事實說話，不管別人信與不信，你把實驗搞出來，成果說明一切。所以，Fisher 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，朝著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。

注意了，Fisher 之前一直研究的室主流物理學，但是現在他要研究的問題是糅合了生物學，化學，神經科學和量子物理學的領域，這得說起 Fisher 一次自己與抑鬱症的鬥爭的經歷，讓他做出了如此轉變。

Fisher 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。

他說：「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。

他說：「每當我醒來，偏頭痛的感覺遍布整個身體」。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葯，三個星期之後，他的精神狀態便有所好轉。

Fisher說：「厚厚的霧完全籠罩著我，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，儘管藥物有著一些明顯的副作用，比如說致使他的血壓升高。

後來，他轉而使用百憂解（含 fluoxetine 氟西汀，也是一種抗抑鬱葯），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葯是有效的。但是為什麼這種有會發揮作用呢？Fisher 很好奇，他出身於物理學專業，便開始思考在大腦中量子處理的可能性。

他發現所有的精神藥物都由複雜的分子構成，他挑選了一種最簡單的鋰原子進行研究。Fisher 說，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葯，鋰很常見，叫做鋰-7 同位素。他又想到，鋰-7 同位素和更罕見的鋰-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，簡單地說，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 擁中子數量不同，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 脫離的速度太快了，而鋰-6 原子核自旋更加穩定，能夠保持更長的時間。

由此，Fisher 發現鋰-7 和鋰-6 是兩種對量子自旋來說很重要的物質，而它們所產生的結果也是不同的。由此，便在一定程度上說明了量子處理可能確實在人的認知過程中發揮作用。

但這終究還只是假設，實驗做起來就不那麼容易了。大腦需要一些機制來讓存儲在量子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。還必須找到一些方法讓傳輸量子信息的量子比特存儲在大腦中。

經歷了五年的研究，Fisher 找到的唯一可能在大腦中存儲量子信息的就是磷原子。

磷原子是一種除氫之外常見的生物元素，之所以選出它是因為它的自旋量很低，可能保持足夠長相干時間。

雖然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群，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群在一起。

後來這稱為波斯納分子或波斯納集群（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群，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群的證據。Fisher 認為波斯納分子也可以作為大腦中的天然量子比特。

Fisher 進行實驗，他首先在含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方式配對：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。

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說是至關重要的。

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。

於是，經歷了重重困難之後，Fisher 終於找到了大腦中那個「量子位」，並且模擬除了大腦中的「量子糾纏」。

在這種情況下，量子糾纏可以大面積覆蓋大腦從而影響神經遞質的釋放和神經元之間突觸的傳遞。

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。

至今，還有大量科學家提出反對一件，物理學家 Olaya Castro 說「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，當然這並不意味著他的整個假說是錯誤的，我期待著聽到一個合理的解釋」。

確實，Fisher 的假說還有很多值得推敲之處，比如，波納斯分子的結構是否對稱？核自旋是如何獨立運行？

不過，科學研究向來不容易，若是問題很容易就解決了，豈不是是個物理學家都能得諾貝爾獎了，期待 Fisher 的進一步探索。

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