一個過去看似牽強(qiáng)的理論提供了一種新思路，這使得大腦可能像量子計算機(jī)一樣運(yùn)作 。
只要提到“量子意識”，大多數(shù)物理學(xué)家都會敗下陣來，因為這個概念似乎只是一個現(xiàn)代大牛提出的模糊且無聊的想法。但如果這個假設(shè)能夠得以證實的話，那么也就是說量子效應(yīng)可能確實會影響人類認(rèn)知。去年年底，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家Matthew Fisher在《物理學(xué)年鑒》上發(fā)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(jī)那樣運(yùn)作。
人類大腦是臺量子計算機(jī)?量子物理能解釋意識嗎?
Matthew Fisher提出一種量子效應(yīng)影響大腦工作的方法。
在過去的十年里，F(xiàn)isher的假說被許多人所否定，他的想法被認(rèn)為完全是胡說八道。物理學(xué)家之所以這么認(rèn)為是因為有前車之鑒，最著名的就是發(fā)生在1989年的那件事，當(dāng)時Roger Penrose提出一種叫做“微管”的神秘蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，微管可以利用量子效應(yīng)在人類意識中發(fā)揮作用。 幾乎沒有研究者認(rèn)為這樣的假設(shè)合理。
加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥的神經(jīng)哲學(xué)家Patricia Churchland認(rèn)為這個假說完全就是用“突觸中的小精靈”來解釋人類的認(rèn)知，這成為了后來的主流觀點。（“突觸中的小精靈”意為除非擁有發(fā)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(fā)生，以此來說明Roger Penrose假說的荒謬性）
Fisher提出的假說與“微管”一樣，同樣面臨著難以跨越的障礙：一種稱為量子退相干的現(xiàn)象 。要建造起一臺能夠運(yùn)作的量子計算機(jī)，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。但糾纏的量子處于十分脆弱的狀態(tài) 。它們必須小心翼翼，免受周圍環(huán)境中的任何干擾。在量子系統(tǒng)中，只要有一個光子觸碰到量子比特，就足以使整個系統(tǒng)消散，量子狀態(tài)就會“退相干”成一個平淡無奇的普通狀態(tài)，存儲在量子狀態(tài)中的信息就會損失掉，消散在周圍的環(huán)境中。在可以嚴(yán)格控制的實驗室環(huán)境中進(jìn)行量子處理就已經(jīng)頗具挑戰(zhàn)性，更不用說在溫暖潮濕的大腦里，晃蕩擁擠的分子就像一鍋熱湯，幾乎不可能維持相干狀態(tài)。
然而，在過去十年中，越來越多的證據(jù)表明某些生物系統(tǒng)可能采用量子力學(xué) 。例如，在光合作用中，量子效應(yīng)可以幫助植物將陽光變成燃料 ?？茖W(xué)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(jìn)行導(dǎo)航，抑或人類的味覺可能也源自于量子力學(xué)。
Fisher在大腦中進(jìn)行量子處理的這個概念廣泛適用于被稱之為量子神經(jīng)科學(xué)的新興的量子生物學(xué)領(lǐng)域。他提出了一個十分復(fù)雜的假設(shè)，糅合了核和量子物理，有機(jī)化學(xué)，神經(jīng)科學(xué)和生物學(xué)等多個學(xué)科。雖然他的想法仍然受到大量且合理的質(zhì)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(xué)院物理學(xué)家John Preskill寫道，“那些讀了他的論文的人（我希望很多人會這么認(rèn)為）肯定會得出這樣的結(jié)論：這個老家伙不是那么瘋狂。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(xué)院的物理學(xué)家SenthilTodadri，作為Fisher多年的好友和同事，他同樣持懷疑態(tài)度，但他認(rèn)為Fisher已經(jīng)把核心問題轉(zhuǎn)變到了——量子處理是在大腦中發(fā)生的？——這需要有嚴(yán)格的測試來驗證這種情況的可能性。Todadri說：“一般的假設(shè)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(xué)界完全是一個空白的領(lǐng)域，所以下一步就要看他是否能夠自圓其說了。”事實上，F(xiàn)isher已經(jīng)開始組建了一個團(tuán)隊來進(jìn)行實驗室測試，以期回答所有人關(guān)于這個問題的質(zhì)疑。
Fisher出生于物理學(xué)世家，他的父親Michael E. Fisher是馬里蘭大學(xué)帕克學(xué)院一名杰出德邦物理學(xué)家，縱觀他父親的整個職業(yè)生涯，其在統(tǒng)計物理學(xué)方面的工作獲得了諸多榮譽(yù)和獎勵。他的兄弟Daniel Fisher是斯坦福大學(xué)的應(yīng)用物理學(xué)家，專攻進(jìn)化動力學(xué)。Matthew Fisher一直緊跟他們的腳步，朝著成為一名杰出的物理學(xué)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。
那么是什么驅(qū)使他遠(yuǎn)離主流物理學(xué)，走向充滿爭議且混亂的，糅合了生物學(xué)，化學(xué)，神經(jīng)科學(xué)和量子物理學(xué)的領(lǐng)域呢？( 即有關(guān)在大腦中進(jìn)行量子處理的假說)，這主要是源自于一次自己與抑郁癥的斗爭。
Fisher深深地記得，1986年2月那天早上，當(dāng)他醒來時感覺到十分麻木和泄氣，仿佛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(diào)整飲食和運(yùn)動方式也完全是徒勞，但是血液測試卻顯示沒有什么毛病，一切正常。就這樣，他的病情整整持續(xù)了兩年。他說：“每當(dāng)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(xù)與抑郁癥進(jìn)行抗?fàn)幍睦碛伞?/p>
最后，他還是找了一個精神病醫(yī)生給他開了三環(huán)類抗抑郁藥，三個星期之后，他的精神狀態(tài)便有所好轉(zhuǎn)。Fisher說：“厚厚的霧完全籠罩著我，使我無法看到太陽，但那云卻不是太密集，我能從它的背后看見光。”九個月后，他仿佛重獲新生，盡管藥物有著一些明顯的副作用，比如說致使他的血壓升高。后來，他轉(zhuǎn)而使用百憂解（含fluoxetine氟西汀，也是一種抗抑郁藥），并就不斷監(jiān)測和調(diào)整自己的特殊藥物治療方案。
Fisher自身的經(jīng)歷使他確信這些藥是有效的。但令Fisher吃驚是，他發(fā)現(xiàn)神經(jīng)科學(xué)家對于它們是如何發(fā)揮藥效知之甚少。這激發(fā)了Fisher的好奇心，鑒于他在量子力學(xué)方面擁有豐富的專業(yè)知識，他開始思考在大腦中量子處理的可能性 。五年前，利用自己使用抗抑郁藥這一經(jīng)歷作為起點，他全身心地投入到關(guān)于這個問題的學(xué)習(xí)當(dāng)中去。
幾乎所有的精神藥物都是復(fù)雜的分子，而他專注于其中一種最簡單的鋰，這只是一個原子，換句話來說，這將是一個比百憂解更容易研究的模型。Fisher說，這種類比還是比較恰當(dāng)?shù)?，因為鋰原子是一種圍繞原子核的電子球。他指出，一般從當(dāng)?shù)厮幏抠I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(chǎn)生相同的結(jié)果？理論上應(yīng)該是會產(chǎn)生同樣的結(jié)果，因為兩種同位素在化學(xué)上完全一致，它們的區(qū)別僅在于核中的中子數(shù)。
當(dāng)Fisher梳理文獻(xiàn)時，他發(fā)現(xiàn)了一個鋰-6和鋰-7效果的對比實驗。1986年，康奈爾大學(xué)的科學(xué)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(hù)理幼崽、筑巢、進(jìn)食等活動，結(jié)果顯示，喂養(yǎng)鋰-6的大鼠活性顯著高于對照組或飼喂鋰-7的大鼠。
這難倒了Fisher。這兩種同位素的化學(xué)性質(zhì)不僅相同，原子質(zhì)量的細(xì)微差別在很大程度上也會被體內(nèi)環(huán)境所消除。那么，什么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(rèn)為，秘密可能在于核自旋，這是一個量子力學(xué)性質(zhì)，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，那么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(shù)量的中子，所以他們的自旋也是不同的。因此，就想達(dá)到量子認(rèn)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(wěn)定，能夠保持更長的時間。
Fisher發(fā)現(xiàn)了兩種對量子自旋來說很重要的物質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)它們也可以對行為會產(chǎn)生非常不同的影響。對于Fisher來說，這可能意味著量子處理可能確實在人的認(rèn)知過程中發(fā)揮作用。
然而，從一個有趣的假設(shè)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巨的挑戰(zhàn)。大腦需要一些機(jī)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(jī)制，使得量子糾纏能夠通過有可行的化學(xué)手段，在某種程度上影響神經(jīng)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，F(xiàn)isher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(shù)字。據(jù)Fisher所言，磷不能獨立地產(chǎn)生穩(wěn)定的量子比特，但是把磷和鈣離子進(jìn)行集群，它的相干時間可以進(jìn)一步延長。
1975年，康奈爾大學(xué)科學(xué)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。后來這稱為波斯納分子或波斯納集群（Posner molecule or cluster）的磷酸鈣結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)包括九個鈣原子和六個磷原子。在2000年，當(dāng)科學(xué)家模擬體液中的骨生長時再次觀測到這種集群，并注意到它們在體液中漂浮。隨后的實驗中，同樣發(fā)現(xiàn)了人體內(nèi)存在波斯納集群的證據(jù)。Fisher認(rèn)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(lán)圖，但是Fisher已經(jīng)花了幾年時間來推敲其中的細(xì)節(jié)。該過程在具有焦磷酸鹽的化合物的細(xì)胞中開始，細(xì)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(tài)會疊加成為一個總自旋（“三重態(tài)”，僅是一種微弱的糾纏狀態(tài)），但是第四種可能會產(chǎn)生零自旋或“單重態(tài)”，這種狀態(tài)會產(chǎn)生這對于量子計算至關(guān)重要的最大化量子糾纏。
接著，焦磷酸酶能打破2個相連的磷酸根離子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生兩個單離子。關(guān)鍵的是，即使兩個游離磷酸根離子分離開來了，兩個離子的核自旋應(yīng)該還是處于量子糾纏態(tài)的。Fisher認(rèn)為，“單重態(tài)”的情況下會發(fā)生得更快。這些離子就可以依次與鈣離子和氧原子結(jié)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自旋對于延長相干時間來說是至關(guān)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(tài)，F(xiàn)isher估計波納斯分子的糾纏態(tài)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(jīng)遞質(zhì)的釋放和神經(jīng)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(xué)領(lǐng)域工作的研究人員對Fisher的提議持謹(jǐn)慎好奇的態(tài)度。 Alexandra Olaya-Castro，倫敦大學(xué)學(xué)院研究量子光合作用的物理學(xué)家，稱之為“一個深思熟慮的假設(shè)。它并沒有給出確切答案，但是卻打開了如何在實驗中利用具體的步驟檢驗假說的思路。”
Peter Hore，牛津大學(xué)研究候鳥導(dǎo)航系統(tǒng)是否利用量子效應(yīng)的化學(xué)家，對Olaya-Castro說的話表示贊同。他說，“這位理論物理學(xué)家，提出了可能影響大腦活動的具體分子和運(yùn)作機(jī)制。這拓展了實驗測試的可能性。”
實驗測試也是Fisher現(xiàn)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(xué)復(fù)制1986年那個用懷孕老鼠做的研究。他承認(rèn)實驗初步的結(jié)果令人失望，因為實驗數(shù)據(jù)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(jié)果可能更有說服力。
Fisher已經(jīng)申請了資金以進(jìn)行更深入的量子化學(xué)實驗。他聚集了一小部分來自加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校和加利福尼亞大學(xué)舊金山分校各個學(xué)科的科學(xué)家，大家一起合作研究。首先，他想調(diào)查磷酸鈣是否真的形成穩(wěn)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對后者持懷疑態(tài)度，尤其是根據(jù)Fisher的粗略估計，量子相干能夠持續(xù)一天或更甚。Olaya-Castro說，“老實說，我認(rèn)為這不太可能，這過程中發(fā)生的生物化學(xué)活動最多就是以秒來計算，一天這時間也太長了。”（神經(jīng)元可以存儲微秒的信息）Hore建議最好將時間限制在秒以內(nèi)。他說，“我認(rèn)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(rèn)為波斯納分子不是，當(dāng)然這并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。”
其他人認(rèn)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(xué)的神經(jīng)哲學(xué)家Paul Thagard向《New Scientist》雜志解釋道：“關(guān)于大腦神經(jīng)元相互作用影響認(rèn)知的證據(jù)正在進(jìn)一步完善。”（Thagard拒絕了我們進(jìn)一步評論的請求。）
波納斯分子的結(jié)構(gòu)是否對稱？核自旋是如何獨立運(yùn)行？Fisher的假說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(shè)是錯的？也許就是該放棄量子認(rèn)知想法的時候了。“我相信，如果磷核自旋不適用于量子處理，那么在以后很長一段時間內(nèi)，大家都會認(rèn)為量子力學(xué)在認(rèn)知方面是無效的。”Fisher說，“科學(xué)地指出這一點也十分重要，對于科學(xué)發(fā)展而言，知道這一點也是好的。”
