科學家提出量子大腦,能否為人類解答大腦的奧秘?

人類的大腦一直隱藏著很多未解之謎，人類科學家從很多方面來了解過大腦，甚至運用了量子力學的成果去試著發現大腦的秘密。大腦是否應用了量子力學？從某個層面上來說，答案是肯定的。

大腦由原子組成，原子當然要遵循量子物理的規律。不過，這些量子物體的奇異特性（即分別在兩個地方能瞬間相互影響等）是否能夠解釋與人類認知有關的那些未解之謎呢？事實證明，這真的是一個頗具爭議性的話題。

有些持反對意見的人援引了「奧卡姆的剃刀」原則，該原則稱，最簡單的解釋通常就是最好的。既然目前非量子學說對大腦的運作解釋得還算清楚，我們就不需要再引入量子物理來解釋認知。然而，加州大學聖塔芭芭拉分校的理論物理學教授馬修·費舍爾對此不那麼肯定。

他指出，目前關於記憶的學說還遠遠稱不上無懈可擊，例如有的說記憶被存儲在神經網絡結構中，有的說存儲在神經元之間的連接中。為什麼不去看看量子力學能否提供一個更好的解釋呢？或許，人們不去研究量子力學與意識的關係是因為有前車之鑑。

1989年，牛津大學的數學家羅傑·彭羅斯提出，任何常規的經典計算模型都不能夠解釋大腦是如何產生思想和意識體驗的，這種說法引起了很多人的興趣，尤其是美國亞利桑那州的一位麻醉師斯圖爾特·哈默洛夫，他提出了量子效應參與大腦活動的具體方式。

而他想法的核心是：微管——組成神經元支撐結構的蛋白質管，依據量子效應同時處於兩種不同形狀的疊加態中。每個形狀相當於1經典比特的信息，所以這種在形狀之間隨意切換的量子比特能夠存儲兩倍於經典比特的信息量。

然後再加入糾纏——一種能讓量子比特在即使不接觸的情況下仍然關聯在一起的量子特性——這樣就很快就構造出了一臺量子計算機，其操作和存儲信息的效率比任何傳統計算機都高。實際上，彭羅斯認為，量子計算機可以同時探索多個答案，並以不同的方式將這些答案整合起來，正好能夠解釋人類大腦的獨特天賦彭羅斯和哈默洛夫就這個想法開展了合作研究，他們和其他一些人曾一度認為這個想法很有道理，但很快人們就發現了其中的漏洞。

從物理學家的角度來看，最根本的問題在於相干的時間。為什麼這樣說呢？科學家解釋，疊加態和量子糾纏都是非常脆弱的現象。對於一個量子系統而言，只要受到熱、機械振動或其他任何東西的幹擾，它就會退相干到常規的經典狀態，而存儲在量子態中的信息通常會散失到周圍的環境中。

在過去的20多年裡，包括費舍爾在內的很多物理學家在嘗試建造出一臺有一定規模的量子計算機時，都因退相干問題而受阻。即使在深度冷卻和機械隔離的條件下，量子比特網絡的相干狀態也很難維持足夠長的時間，以做出任何超出目前傳統計算機能力的事。

而溫暖溼潤的大腦則是一鍋不停振動的、熙熙攘攘的分子湯，幾乎不可能進行量子計算。神經元在處理信息時，需要將信息保持微秒的級別或者更長時間。但理論計算表明，微管如果有疊加態，只能維持10-20~10-13秒。所以依靠量子力學去解釋大腦如何產生意識等等這些問題還需時間去驗證去解答。