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我们是量子计算机吗?

使用超冷原子和离子,超导结和钻石缺陷的量子计算过程已经做了很多,但我们可以在自己的大脑中进行这些吗?

这是UC Santa Barbara理论物理学家 Matthew Fisher多年来一直在问的问题。现在,作为新的量子脑项目(QuBrain)的科学主管,他正在寻求通过严格的实验测试来进行这项研究。

“我们自己可能 是 量子计算机,而不仅仅是设计和构建量子计算机的聪明机器人吗?”费舍尔问道。

大脑执行的一些功能继续躲避神经科学 - 例如,“保存”非常长期记忆的基质及其运作方式。处理原子和亚原子水平的自然行为的量子力学可能能够解开一些线索。反过来,这可能会在很多层面产生重大影响,从量子计算和材料科学到生物学,心理健康,甚至是人类。

我们大脑中量子计算的想法并不是一个新概念。事实上,它已经与一些科学家以及那些科学倾向较少的科学家进行了一段时间的讨论。但费舍尔是世界着名的量子力学领域的专家,他已经确定了一套精确且独特的生物成分和关键机制,可以为大脑中的量子处理提供基础。凭借Heising-Simons基金会三年内120万美元的拨款资金,Fisher将在UCSB启动QuBrain合作。该项目由量子物理学,分子生物学,生物化学,胶体科学和行为神经科学等领先科学家组成的国际团队组成,该项目将寻求明确的实验证据,以回答我们实际上是否可能 是量子计算机。

“我们非常感谢Heising-Simons基金会在量子和神经科学的最前沿授予这个项目的大胆愿景,”加州大学圣塔芭芭拉分校校长Henry T. Yang说。“Matthew Fisher教授是一位杰出的量子物理学家,他在2015年因为他对量子相变的研究而分享了Oliver E. Buckley奖。现在,他正走出他的传统理论研究框架,组建一个国际专家团队,开发一个基于实验的研究计划,以确定大脑中是否存在量子过程。他们的研究可以为大脑如何运作提供新的视角,这可能会导致新的心理健康治疗方案。因此,我们热切期待未来几年QuBrain合作研究的成果。“

“如果量子过程是否需要在大脑中发生的问题的回答是肯定的,它可以彻底改变我们的认识和治疗脑功能和人类认知的,说:” 马特Helgeson,化学工程和副主任在QuBrain一个UCSB教授。

生化Qubits

量子计算机的标志在于原子和离子的无穷小系统的行为,它们可以表现出量子纠缠的“量子比特”(例如“旋转”)。多个量子比特可以形成编码,存储和传输信息的网络,类似于传统计算机中的数字比特。在我们试图构建的量子计算机中,这些效应在高度受控和隔离的环境中以及在低温下产生和维持。因此,温暖湿润的大脑不被认为是表现出量子效应的有利环境,因为它们应该很容易被原子和分子的热运动“冲洗掉”。

然而,费舍尔断言,核自旋(在原子的核心,而不是周围的电子)提供了一个例外。

“极其孤立的核旋转可以存储 - 或许可以处理 - 人体时间尺度为数小时或更长时间的量子信息,”他说。费希尔假定磷原子 - 体内最丰富的元素之一 - 具有必要的核自旋,可以作为生化量。合作的一个实验重点是监测磷原子的量子特性,特别是当两个磷核自旋在经历生化过程的分子中结合在一起时的纠缠。

与此同时,纽约大学化学教授Helgeson和 Alexej Jerschow将研究波斯纳分子的动力学和核自旋 - 球形磷酸钙纳米团簇 - 以及它们是否具有保护磷原子核自旋的能力量子比特,可以促进量子信息的存储。他们还将探索非局部量子信息处理的潜力,这可以通过波斯纳分子的结合和解离来实现。

纠缠神经元

在另一组实验中,慕尼黑技术大学的科学家Tobias Fromme将研究线粒体对纠缠及其与神经元的量子耦合的潜在贡献。他将确定这些细胞器(负责代谢和细胞信号传导等功能)是否可以通过管状网络在神经元内和神经元之间传递Posner分子。线粒体的融合和裂变可以允许建立非局部的细胞内和细胞间量子纠缠。波斯纳分子的离解随后可能触发钙的释放,穿过线粒体网络相关,激活跨什么将基本上是神经元的一个量子耦合网络神经递质释放和随后的突触烧制 - 一个现象将弗洛姆寻求在体外模仿。

Fisher的认知核自旋处理的可能性部分来自于20世纪80年代进行的研究,该研究报道了锂同位素对母鼠行为的显着依赖性。虽然给出相同的元素,但是它们的行为根据锂核中的中子数而发生显着变化。对于像费舍尔这样的量子物理学家而言,大多数人的差异是微不足道的,这是一个根本上显着的差异,这表明核自旋的重要性。 加州大学圣地亚哥分校心理与脑科学杰出教授Aaron Ettenberg将领导旨在复制和扩展这些锂同位素实验的研究。

“无论你判断Matthew Fisher的假设,通过QuBrain的合作研究方法测试它,我们将从最全新的角度探索神经元功能和最先进的技术,具有巨大的发现潜力,”Fromme说。同样,根据Helgeson的说法,QuBrain进行的研究有可能在生物材料,生化催化,溶液化学中的量子纠缠和人类情绪障碍等领域取得突破,无论量子过程是否确实发生在大脑中。

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