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能否利用量子为大脑传送信息？

量子,光子,轴突能否利用量子为大脑传送信息？

发布时间：2016-12-08加入收藏来源：互联网点击：

能否利用量子为大脑传送信息？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

量子纠缠无法传递信息，必须先给量子施加信息才能传递。但别说施加了，仅仅观察一下即可令量子塌缩，薛定谔的猫被观察就会塌缩。因为明文被观察会塌缩，所以量子只能传递密文。

就像是一张纸条写上AB后分别给两人，一个人拆开是A那么另一个人一定是B，但是信息交换在递纸条那一刻已经成立了，也就是说你早就传递过信息，只是自己掩耳盗铃不看

因为你自己都不知道自己传递的是什么，充其量只能算是噪声。 当然这种噪声可以用来作为密码加密。但是你真正要传递的信息还是得走传统通信渠道。 这也就是前段时间很火的“量子通信”的实质 1不能超光速，2不能在传统通信无法使用的场合使用，甚至使用的条件比传统通信更苛刻3，这个加密技术本身用的还是对称加密，严格来说还是比较落后的加密技术。只是密匙生成“可能”使用了量子技术。 所以有人质疑也就不奇怪了。

大脑由原子组成，原子当然要遵循量子物理的规律。不过，这些量子物体的奇异特性（即分别在两个地方能瞬间相互影响等）是否能够解释与人类认知有关的那些未解之谜呢？事实证明，这真的是一个颇具争议性的话题。

有些持反对意见的人援引了“奥卡姆的剃刀”原则，该原则称，最简单的解释通常就是最好的。既然目前非量子学说对大脑的运作解释得还算清楚，我们就不需要再引入量子物理来解释认知。然而，加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理学教授马修·费舍尔对此不那么肯定。

他指出，目前关于记忆的学说还远远称不上无懈可击，例如有的说记忆被存储在神经网络结构中，有的说存储在神经元之间的连接中。为什么不去看看量子力学能否提供一个更好的解释呢？或许，人们不去研究量子力学与意识的关系是因为有前车之鉴。

1989年，牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯提出，任何常规的经典计算模型都不能够解释大脑是如何产生思想和意识体验的，这种说法引起了很多人的兴趣，尤其是美国亚利桑那州的一位麻醉师斯图尔特·哈默洛夫，他提出了量子效应参与大脑活动的具体方式。

而他想法的核心是：微管——组成神经元支撑结构的蛋白质管，依据量子效应同时处于两种不同形状的叠加态中。每个形状相当于1经典比特的信息，所以这种在形状之间随意切换的量子比特能够存储两倍于经典比特的信息量。

量子计算机的运作方式和大脑的运作方式

然后再加入纠缠——一种能让量子比特在即使不接触的情况下仍然关联在一起的量子特性——这样就很快就构造出了一台量子计算机，其操作和存储信息的效率比任何传统计算机都高。实际上，彭罗斯认为，量子计算机可以同时探索多个答案，并以不同的方式将这些答案整合起来，正好能够解释人类大脑的独特天赋彭罗斯和哈默洛夫就这个想法开展了合作研究，他们和其他一些人曾一度认为这个想法很有道理，但很快人们就发现了其中的漏洞。

从物理学家的角度来看，最根本的问题在于相干的时间。为什么这样说呢？科学家解释，叠加态和量子纠缠都是非常脆弱的现象。对于一个量子系统而言，只要受到热、机械振动或其他任何东西的干扰，它就会退相干到常规的经典状态，而存储在量子态中的信息通常会散失到周围的环境中。

在过去的20多年里，包括费舍尔在内的很多物理学家在尝试建造出一台有一定规模的量子计算机时，都因退相干问题而受阻。即使在深度冷却和机械隔离的条件下，量子比特网络的相干状态也很难维持足够长的时间，以做出任何超出目前传统计算机能力的事。

而温暖湿润的大脑则是一锅不停振动的、熙熙攘攘的分子汤，几乎不可能进行量子计算。神经元在处理信息时，需要将信息保持微秒的级别或者更长时间。但理论计算表明，微管如果有叠加态，只能维持10-20~10-13秒。所以依靠量子力学去解释大脑如何产生意识等等这些问题还需时间去验证去解答。

神经科学家早已观察到大脑中产生的生物光子，只是没人知道这些光子的作用是什么，目前科学家们开始探索其中的可能性。

　　许多生物都会发光，用来沟通和吸引伴侣等。二十年前，生物学家发现鼠类大脑在某些情况下会产生光子。尽管发出的光很弱，但神经科学家当时对于这个发现都感到很意外。

　　之后，越来越多的证据表明，这些生物光子似乎是通过某些电子激发的分子衰变，会在大脑及其它地方很自然地产生。哺乳动物大脑产生的生物光子的波长在200和1300纳米之间 - 换句话说，从近红外到紫外线。

　　如果大脑中的细胞自然产生生物光子，我们就会自然地想到是否可能利用这一过程来传输信息，也就是光子从一个地方传递到另一个地方。这就需要像光纤一样的波导，什么生物结构可以作为波导呢？

　　来自加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）量子科学研究所的博士生Parisa Zarkeshian和团队最近给出了一个答案。他们研究了轴突的光学特征，即神经细胞的长线状部分，并得出结论：我们的大脑内，在厘米距离上的光子传播是完全可行的。

　　这项工作是对以前的轴突实验和研究的回顾。该小组首先审查了一项研究，通过解决麦克斯韦的三维电磁方程来确定细胞的光学性质，计算有髓轴突的光学性质。

　　这项研究表明，轴突的外涂层 - 髓鞘（myelin sheath）- 可以作为波导传播生物光子。但是也可能有很多其他的因素，通过散射光或吸收它，而产生影响。这些因素包括光轴的变化，轴突中的弯曲，护套半径的变化，以及非圆形横截面等。它们都可能对光的传播产生影响。

　　Zarkeshian和团队得出的结论是，长约2毫米的轴突 - 大脑中的轴突长度 - 可以传播进入大脑的生物光子的46％到96％。 “值得注意的是，光子可以从两个方向传播：从轴突末端到轴突小丘，或沿着轴突沿相反的方向传播。”

　　这个团队以此继续计算可行的数据通信速率。生物学家已经以每分钟每个神经元一个光子的速率测量了小白鼠的大脑产生的生物光子。人脑中有1011 个神经元，虽然听起来似乎并不多，这表明它可以每秒产生超过十亿个光子。

　　Zarkeshian和团队表示：“这种机制似乎足以传输大量信息，甚至允许产生大量的量子纠缠。” 当然，这些计算中有许多的不确定性。目前没有人知道髓鞘（myelin sheaths）的精确光学性质，因为它们从未被测量过。

　　最好的验证方法是测试大脑组织的光学透射性质。 Zarkeshian和团队提出了一些直接的实验，将这个领域向前推进。他说：“一个方法是照亮一个薄的脑组织切片的一端，并寻找与有髓轴突（myelinated axons ）的开放端相关的另一端的亮点。当然还有其他各种方法，有待神经科学家们花时间去验证。

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