2018-09-10 由 科技探索Discovery 發表于科學

這個問題在過去的二十幾年裡限制了包括費希爾在內的一些物理學家構建量子計算機的嘗試。即使在低溫冷凍並且隔絕機械干擾的條件下，也很難讓量子網絡的相干性維持足夠長的時間來超過經典的計算機。而在溫熱、濕潤的大腦組織中，一團晃動不停、互相推擠的分子聚在一起，想要保持量子狀態不遭破壞幾乎不太可能。神經元在處理信息時需要將其存儲數毫秒或者更長時間，而計算的結果告訴我們微管系統的疊加狀態最多維持10-20秒 ~10-13秒。神經哲學家帕特里夏·丘奇蘭德（Patricia Churchland）在1996年總結道：「相信神經元內存在量子相干性，還不如假設神經突觸間有妖精塵埃。」這在隨後也成了主流看法。

來自大鼠試驗的靈感

費希爾對此持懷疑態度。「當大家開始談論微管系統的時候，我立刻意識到這沒有意義，」他說，「你無法讓微管系統處理量子信息，除非把它與周圍的環境完全隔絕開來。」但同樣，他認為如果生物演化能夠做到這一點，那也不會讓人覺得奇怪。地球上的生命已經有數十億年的時間「探索」量子機制，其精緻的分子裝置給予它開發利用的手段。大腦中神經元的電脈衝也許是思維和記憶的直接基礎，雖然經典物理學可以很好地解釋這一點，但隱藏其下的量子層面也許能部分解釋這些神經元如何關聯和激發。

費希爾對這一課題產生的興趣出於其他原因，他對周圍人所患的精神疾病感到好奇，也想知道治療藥物能夠產生的效果。「沒人真正知道精神類藥物的作用機制。」他說。我們需要對藥物如何影響人的精神作出更好的解釋，這正是他研究這一課題的原因。 費希爾最初的關注點是鋰，一種用於多種情緒穩定藥物的材料。當他整理科學文獻的時候，碰巧看到了1986年的一篇報導：研究人員給大鼠飼餵鋰的兩種同位素：鋰6和鋰7。在大鼠梳理毛髮、照顧幼崽、築巢、餵養和其他一些行為中，鋰6組要比鋰7組和對照組活躍的多。正是這篇論文讓費希爾認為，是時候再次考慮量子認知理論了。所有的原子核，就像組成它們的基本粒子一樣，擁有一種量子特性——自旋。粗略地說，自旋量化了原子核「感受」電場和磁場的程度。自旋越快，影響就越明顯。一個原子核可能的最小自旋為1/2，幾乎不受電場影響，在磁場中也只有微弱的相互作用。而在大腦這樣充滿電場的環境中，擁有1/2自旋的的原子核能夠不受電場干擾。自旋為1/2的原子核在自然界中並不普遍。鋰6的自旋為1，但大腦內部的化學環境，是以水為溶劑的鹽溶液，水中的游離氫離子讓鋰6的表現接近於一個自旋為1/2的核。早在20世紀70年代，實驗就已經記錄下鋰6的原子核能夠保持長達5分鐘的穩定自旋。費希爾認為，如果量子能控制大腦的計算過程，鋰可能正是通過將這些相干的原子核整合進大腦的化學過程中，以起到鎮定作用的。不僅如此，鋰6無法在大腦里自然產生，但有一種自旋為1/2的原子核可以，並且它還是多種化學反應的活躍參與者，它就是磷。

這一想法的種子在費希爾的思想里生根發芽。「如果量子過程在大腦里持續進行，那磷原子核的自旋就是唯一的途徑。」費希爾說。 計算了各種含磷分子的相干時間之後，費希爾公布了一種候選的量子比特裝置。它是被稱為波斯納分子（Posner molecule）或波斯納簇（Posner cluster）的鈣磷結構，於1975年在骨骼礦物中發現。而在實驗室里配製的模擬體液中（水，加上一些生物分子和無機鹽），還能觀察到它在周圍漂浮。費希爾測量了這些分子的相干時間，結果令人吃驚，有105秒，相當於差不多一整天。鋰存在含有六個磷原子的波斯納分子簇，這些磷的原子核自旋能夠互相糾纏，並可能影響我們的思維和記憶。 他還確定了至少一種化學反應，能夠在大腦中自然地形成波斯納分子的核自旋之間的糾纏態。這個過程涉及到鈣的吸收和脂肪代謝中所用到的焦磷酸酶。這種酶能夠打破兩個磷酸根的連接結構，並產生兩個單獨的離子。理論上，這兩個離子的核自旋應該相互糾纏。這些游離的離子釋放到細胞周圍的體液中，並與鈣離子相結合而形成波斯納分子。