大腦可能是量子計(jì)算機(jī)？

胡勇

一直以來，我們很難說清楚人為什么會(huì)有思想和意識(shí)，雖然我們?cè)缇土私饬舜竽X的基本組成。大腦能夠思考的基礎(chǔ)是神經(jīng)細(xì)胞，所有神經(jīng)的活動(dòng)都是電的活動(dòng)，神經(jīng)元通過接受、整合、傳導(dǎo)和輸出脈沖電波實(shí)現(xiàn)信息交換。這似乎跟電子計(jì)算機(jī)很像，但任何標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)模型都無法解釋大腦是如何產(chǎn)生思維和意識(shí)體驗(yàn)的。

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

高效率的量子計(jì)算機(jī)

人的大腦有100多億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，每天能處理生活中大約8600萬條信息，可以同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)，是一個(gè)高效率的生物處理中心。量子計(jì)算機(jī)的計(jì)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(jì)算機(jī)的基本單位為比特，一個(gè)比特只能處于0或1的兩種二進(jìn)制狀態(tài)之一，而量子計(jì)算機(jī)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(gè)量子比特可以同時(shí)處于“0”狀態(tài)和“1”狀態(tài)。

在量子的世界中，兩個(gè)處于糾纏態(tài)的粒子一旦分開，不論分開多遠(yuǎn)，如果對(duì)其中一個(gè)粒子施加作用，另一個(gè)粒子會(huì)立即發(fā)生變化，這就是詭異的量子糾纏。應(yīng)用這一點(diǎn)，彼此有關(guān)的量子比特串列，會(huì)成為一個(gè)整體，只要對(duì)一個(gè)量子比特進(jìn)行處理，影響就會(huì)立即傳送到串列中多余的量子比特。量子計(jì)算機(jī)高效率運(yùn)算的關(guān)鍵就在于量子糾纏。就好比當(dāng)你走到一個(gè)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(duì)的那條，這是經(jīng)典計(jì)算機(jī)的邏輯。而量子計(jì)算機(jī)就像孫悟空一樣，可以變出無數(shù)的分身，同時(shí)走不同的路，這大大提高了計(jì)算效率。量子計(jì)算機(jī)中信息多向流動(dòng)的方式也與大腦實(shí)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(dòng)，如果糾纏的粒子與周圍環(huán)境相互作用，量子糾纏就會(huì)消失。例如，一個(gè)光子撞擊到量子比特就足以讓整個(gè)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(shí)際上，費(fèi)雪并不是第一個(gè)將大腦與量子科學(xué)聯(lián)想到一起的人。美國神經(jīng)學(xué)家哈梅羅夫和英國物理學(xué)家彭羅斯就曾共同提出“編制-客觀還原理論”，他們認(rèn)為意識(shí)是產(chǎn)生于量子水平的時(shí)空結(jié)構(gòu)，其生理基礎(chǔ)是神經(jīng)元內(nèi)部的“微管”結(jié)構(gòu)。單個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞骨架基本上由兩種結(jié)構(gòu)——神經(jīng)絲和微管——組成的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其對(duì)于神經(jīng)元（以及其他細(xì)胞）內(nèi)的各種運(yùn)輸過程是必需的。每個(gè)微管都有很多電子，而且相距很近，所以每個(gè)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(jì)算機(jī);“客觀還原”是說，意識(shí)起始于疊加態(tài)，由于意識(shí)的自我塌陷而使多重世界還原為一個(gè)確定的世界。彭羅斯和哈梅羅夫在一段時(shí)間內(nèi)，都認(rèn)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(jī)械隔離的條件下，要保持量子比特網(wǎng)絡(luò)足夠長時(shí)間的一致性，使其能夠做出任何超出傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(dòng)、碰撞，想要保持量子糾纏更是不可能的事情。計(jì)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(fèi)雪之前的研究并沒有涉及到神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，那么是什么驅(qū)使他從主流物理學(xué)轉(zhuǎn)向神經(jīng)科學(xué)與量子物理的交界呢？實(shí)際上，費(fèi)雪本人有非常嚴(yán)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(fèi)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(xué)家也不能準(zhǔn)確地說清楚。

費(fèi)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(yù)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(xué)上是相同的，只是原子核中的中子數(shù)不同。在梳理科學(xué)文獻(xiàn)時(shí)，費(fèi)雪偶然發(fā)現(xiàn)了1986年的一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在實(shí)驗(yàn)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(xué)性質(zhì)不僅應(yīng)該是相同的，原子質(zhì)量的細(xì)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(fèi)雪認(rèn)為，這個(gè)秘密可能存在于核自旋中，核自旋是一種量子性質(zhì)，它會(huì)影響到每個(gè)原子在與周圍環(huán)境隔絕的情況下保持相干狀態(tài)的時(shí)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(shí)間的糾纏。早在20世紀(jì)70年代，就有實(shí)驗(yàn)表明，鋰-6可以保持長達(dá)5分鐘的穩(wěn)定自旋。對(duì)費(fèi)雪來說，這是一個(gè)暗示：量子效應(yīng)可能確實(shí)在大腦處理過程中扮演了一個(gè)功能性的角色。

大腦內(nèi)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(xué)可能，就需要找到大腦內(nèi)能夠做量子比特的物質(zhì)。大腦中許多生物化學(xué)反應(yīng)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(shí)間的糾纏。經(jīng)過對(duì)生物環(huán)境中各種基于磷的分子的相干時(shí)間的詳盡計(jì)算，費(fèi)雪公開了一個(gè)候選的量子比特，它是一種磷酸鈣結(jié)構(gòu)，被稱為“波斯納分子”——以其發(fā)現(xiàn)者康奈爾大學(xué)科學(xué)家亞倫·波斯納來命名的。

通過測試，費(fèi)雪發(fā)現(xiàn)這些分子的糾纏時(shí)間可以達(dá)到105秒。他還在大腦中發(fā)現(xiàn)了一種化學(xué)反應(yīng)，他認(rèn)為這種反應(yīng)會(huì)自然地在波斯納分子內(nèi)的核自旋之間產(chǎn)生糾纏態(tài)，這個(gè)反應(yīng)是一個(gè)使用了焦磷酸酶的鈣吸收和脂肪代謝的過程。這種酶會(huì)將兩個(gè)相互連接的磷酸鹽離子拆開，產(chǎn)生兩個(gè)單獨(dú)的離子。理論上，這兩個(gè)離子中的核自旋應(yīng)該是量子糾纏的。將它們釋放到細(xì)胞周圍的液體中，它們可以與鈣離子結(jié)合形成波斯納分子。

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

對(duì)于費(fèi)雪的假說，仍然有很多的質(zhì)疑，驗(yàn)證大腦是否使用量子力學(xué)的道路還很長。但費(fèi)雪的假說為我們提供了一種可能，也讓更多的科學(xué)家開始研究生物過程中量子力學(xué)的應(yīng)用。