人脑就是一台量子计算机？科学家证明大脑功能是量子化的

Original 光子盒研究院光子盒 2023-11-30

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光子盒研究院出品

爱尔兰都柏林三一学院的实验团队认为，我们的大脑可以使用量子计算：为了证明最新关于量子引力的假说，科学家将其应用于大脑，针对意识和认知相关的大脑功能介导的量子纠缠进行了系列实验。

10月7日，相关成果以《非经典脑功能的实验指标》为题[1]，发表在《物理学通讯》期刊上。

大脑是非经典的：脑功能的量子化

量子机制在为大脑提供信息的感觉系统中发挥作用。例如，在磁接收中，只有量子力学效应可以解释其灵敏度。除了这些感觉输入之外，更复杂的大脑功能还取决于特定核自旋的存在：核自旋可以像电子自旋一样影响化学反应，然后导致生理学中常见的宏观结果。

最近，关于量子引力的提议[2]表明，如果介质本身是非经典的，未知系统可以调解两个已知量子系统之间的纠缠。这种方法可能适用于大脑：如果存在这种大脑介质，那么纠缠很可能在大脑中起重要作用。大部分水的质子自旋很可能会干扰大脑功能，可以作为已知的量子系统进行观察：如果存在未知介质，则基于多量子相干(MQC)的核磁共振波谱法(NMR)方法可以充当纠缠见证。

电生理脑电波，目睹量子纠缠

实验团队使用特斯拉级的全身MRI扫描仪（飞利浦）研究了40名被测试者（18至46岁）的大脑，并记录了相关数据；所有参与者都被要求在成像协议期间保持清醒。

这项研究的目的是寻找证据证明大脑功能可以在辅助量子系统中产生纠缠。因此，实验采用了可以同时包含多量子相干(SQC)和零量子相干性(ZQC)的混合MRI序列；结果发现，每次心跳时，心脏搏动都会引发NMR信号爆发；信号对比源自自旋-自旋相互作用，因此，我们可能已经目睹了量子纠缠。

在报告入睡的参与者中观察到的模式。(A)唤醒期。(B)睡着时，ZQC突发信号随着S/N水平的增加而下降。

因此，假设存在未知的大脑功能，可以调解辅助量子系统之间的纠缠。对大脑产生的这种纠缠的实验检测将足以证明大脑的非经典性；实验证据表明，这种纠缠的产生是生理和认知过程的一部分。

实验意义：解释了大脑工作的复杂性

三一学院神经科学研究所（TCIN）的首席物理学家Christian Kerskens博士是该研究文章的共同作者，他说[3]：“我们改编了一个想法，为证明量子引力的存在而开发的实验，即采取已知的量子系统，与一个未知系统相互作用。如果已知系统纠缠在一起，那么未知系统也必须是一个量子系统。它规避了为我们一无所知的东西寻找测量设备的困难。”

“在我们的实验中，我们使用‘脑水’（brain water）的质子旋转作为已知系统。‘脑水’作为液体在我们的大脑中自然积累，质子自旋可以用MRI（磁共振成像）测量。然后，通过使用特定的MRI设计来寻求纠缠的自旋。我们发现MRI信号类似于心跳诱发电位，是EEG信号的一种形式。”

Kerskens博士补充说：“如果纠缠是这里唯一可能的解释，那么这将意味着大脑过程必须与核自旋相互作用，调解核自旋之间的纠缠。因此，我们可以推断，这些大脑功能必须是量子化的。因为这些大脑功能也与短期记忆表现和意识意识相关，所以那些量子过程很可能是我们认知和意识大脑功能的一个重要部分。”

“量子大脑过程可以解释为什么我们在遇到不可预见的情况、决策或学习新事物时仍然可以胜过超级计算机。我们的实验离薛定谔发表他关于生命的著名思想的演讲厅只有50米远，可能会揭示生物学的奥秘，以及科学上更难掌握的意识的工作机制。”

参考链接：

[1]https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-6528/ac94be

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.240402

[3]https://phys.org/news/2022-10-brains-quantum.html

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