大脑可能是量子计算机？

胡勇

一直以来，我们很难说清楚人为什么会有思想和意识，虽然我们早就了解了大脑的基本组成。大脑能够思考的基础是神经细胞，所有神经的活动都是电的活动，神经元通过接受、整合、传导和输出脉冲电波实现信息交换。这似乎跟电子计算机很像，但任何标准的经典计算机模型都无法解释大脑是如何产生思维和意识体验的。

美国加州大学圣芭芭拉分校教授马修·费雪提出了一个问题：大脑使用量子力学吗？在某种程度上答案是肯定的，因为大脑由原子组成，原子遵循量子物理定律。但费雪真正的意思是：量子物体的奇特性质（比如叠加态和量子纠缠）是否可以解释人类的意识问题？

高效率的量子计算机

人的大脑有100多亿个神经细胞，每天能处理生活中大约8600万条信息，可以同时完成多个任务，是一个高效率的生物处理中心。量子计算机的计算处理能力为什么能和我们的大脑相提并论呢？原因就在于量子的叠加态和量子纠缠。经典计算机的基本单位为比特，一个比特只能处于0或1的两种二进制状态之一，而量子计算机的基本单位为量子比特，量子比特处于叠加态，也就是说一个量子比特可以同时处于“0”状态和“1”状态。

在量子的世界中，两个处于纠缠态的粒子一旦分开，不论分开多远，如果对其中一个粒子施加作用，另一个粒子会立即发生变化，这就是诡异的量子纠缠。应用这一点，彼此有关的量子比特串列，会成为一个整体，只要对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。量子计算机高效率运算的关键就在于量子纠缠。就好比当你走到一个岔路口，眼前有n条路可选，只能先走一条路然后再走一条路，直到最终找到对的那条，这是经典计算机的逻辑。而量子计算机就像孙悟空一样，可以变出无数的分身，同时走不同的路，这大大提高了计算效率。量子计算机中信息多向流动的方式也与大脑实际情况相似。

需要注意的是，量子纠缠是极其脆弱的，它必须小心避开周围环境的任何扰动，如果纠缠的粒子与周围环境相互作用，量子纠缠就会消失。例如，一个光子撞击到量子比特就足以让整个系统解码，摧毁纠缠并消除系统的量子特性。

站不住脚的客观还原理论

实际上，费雪并不是第一个将大脑与量子科学联想到一起的人。美国神经学家哈梅罗夫和英国物理学家彭罗斯就曾共同提出“编制-客观还原理论”，他们认为意识是产生于量子水平的时空结构，其生理基础是神经元内部的“微管”结构。单个神经元的细胞骨架基本上由两种结构——神经丝和微管——组成的蛋白质网络构成，其对于神经元（以及其他细胞）内的各种运输过程是必需的。每个微管都有很多电子，而且相距很近，所以每个微管都可以处于量子纠缠的状态。

“编制”是说，神经元突触输入端利用微管“精心编制”了量子计算机;“客观还原”是说，意识起始于叠加态，由于意识的自我塌陷而使多重世界还原为一个确定的世界。彭罗斯和哈梅罗夫在一段时间内，都认为这一假想是非常明智的，但是它很快就出现了漏洞。最大的问题是，叠加和纠缠都是极其脆弱的现象。即使在低温和机械隔离的条件下，要保持量子比特网络足够长时间的一致性，使其能够做出任何超出传统计算机能力的事情，也是十分困难的。在温暖、潮湿的大脑里，分子在不停地晃动、碰撞，想要保持量子纠缠更是不可能的事情。计算表明，在处理信息方面，微管叠加只能维持十几秒。因此，这种想法很快就被放弃了。

精神科药物中的量子自旋

费雪之前的研究并没有涉及到神经科学领域，那么是什么驱使他从主流物理学转向神经科学与量子物理的交界呢？实际上，费雪本人有非常严重的抑郁症，并且一直在服用精神科药物，这些药物的作用显著。然而，费雪发现没人知道精神科药物是如何起作用的，包括神经科学家也不能准确地说清楚。

费雪选择研究一下所有精神科药物中最简单的一种——锂，锂经常被用来治疗精神性兴奋，它是预防和治疗狂躁或双向情感精神病的有效药物。药店中可以买到的锂主要是锂-7，却很少看到同位素锂-6，理论上这两种同位素在化学上是相同的，只是原子核中的中子数不同。在梳理科学文献时，费雪偶然发现了1986年的一份实验报告，在实验中，两组小鼠分别被喂食了锂的两种稳定同位素之一：锂-6和锂-7。研究人员观察小鼠梳理毛发、哺乳幼崽、筑巢等一些行为后发现，那些喂食锂-6的小鼠比那些喂食锂-7的小鼠要活跃得多。

这两种同位素的化学性质不仅应该是相同的，原子质量的细微差别也在很大程度上被身体的水环境冲淡了。那么，研究人员观察到的行为差异的原因是什么呢？费雪认为，这个秘密可能存在于核自旋中，核自旋是一种量子性质，它会影响到每个原子在与周围环境隔绝的情况下保持相干状态的时间。自旋越低，原子核与电场和磁场的相互作用就越小，它释放的速度就越慢。由于锂-7和锂-6的中子数不同，它们的自旋也不同。在像大脑这样的环境中，电场大量存在，自旋值较低的锂-6可以保持更长时间的纠缠。早在20世纪70年代，就有实验表明，锂-6可以保持长达5分钟的稳定自旋。对费雪来说，这是一个暗示：量子效应可能确实在大脑处理过程中扮演了一个功能性的角色。

大脑内的量子比特

锂-6并不是在大脑中自然产生的，为了证明大脑使用量子力学可能，就需要找到大脑内能够做量子比特的物质。大脑中许多生物化学反应的活跃参与者——磷是一种低自旋的原子核，由于自旋较低，它可以保持很长时间的纠缠。经过对生物环境中各种基于磷的分子的相干时间的详尽计算，费雪公开了一个候选的量子比特，它是一种磷酸钙结构，被称为“波斯纳分子”——以其发现者康奈尔大学科学家亚伦·波斯纳来命名的。

通过测试，费雪发现这些分子的纠缠时间可以达到105秒。他还在大脑中发现了一种化学反应，他认为这种反应会自然地在波斯纳分子内的核自旋之间产生纠缠态，这个反应是一个使用了焦磷酸酶的钙吸收和脂肪代谢的过程。这种酶会将两个相互连接的磷酸盐离子拆开，产生两个单独的离子。理论上，这两个离子中的核自旋应该是量子纠缠的。将它们释放到细胞周圍的液体中，它们可以与钙离子结合形成波斯纳分子。

如果这一切都是正确的，大脑细胞外的液体中可能会充斥着复杂的、高度纠缠在一起的波斯纳分子群。一旦进入神经元，这些分子就开始改变细胞的信号和反应方式，开始形成思想和记忆。

对于费雪的假说，仍然有很多的质疑，验证大脑是否使用量子力学的道路还很长。但费雪的假说为我们提供了一种可能，也让更多的科学家开始研究生物过程中量子力学的应用。