量子意识中的量子信息

人们普遍认为，即使是长矛的一头尖，研究生物理学家也不应接触某些科学问题-这尤其适用于量子理论基础上的空白。 这些任务是如此复杂，以至于没有丝毫进展的机会。 这些任务含糊不清，以致几乎没有说服任何人注意进展的机会。 这种任务的一个例子是量子物理学在意识形成中的作用。


信用：dailygalaxy.com

免责声明！ 译者的话：我翻译了这篇文章，目的是想出一个主意。 这个概念本身是有争议的，并不是所有观点在原始观点中都是清楚的（或不够完整）。 我不承担发明原件的责任，并留下您的想法和讨论的起点。

在哈布雷（Habré ）上已经有关于费舍尔（Fisher）想法的文章，但是聆听演员（作者）的解释总是很有趣。 调整了一些位置，添加了链接。

实际上，我们知道量子物理学确实在我们的脑海中发挥着作用：量子物理学的定律允许原子保持稳定，而衰变的原子绝对不会影响意识。

但是大多数物理学家相信，大脑中不会存在有用的量子纠缠 。 纠缠表现在量子系统之间的量子相关性上，它比经典系统中任何能实现的强。 纠缠在炎热，潮湿和嘈杂的环境中会非常迅速地衰减。
大脑就是这样的环境。 想象一下，您将纠缠在一起的分子A和B放入了某人的大脑。 水，离子和其他颗粒将与这些分子碰撞。 介质的温度越高，碰撞越多。 介质的粒子将通过电磁相互作用与分子A和B纠缠在一起。 A与环境纠缠得越多， A与B纠缠得越少。 最终， A将与许多介质颗粒稍微混淆。 但是这种弱的纠缠不能用于某些有用的计算。 因此，看来量子物理学不太可能显着影响意识。


别碰

但是，我的研究顾问John Preskill提出了关于是否对这个主题感兴趣的建议。

他说， 尝试一个全新的话题 。 如果没有解决，那就好。 尽管如此，他们对研究生的期望并不高。 您是否看过Matthew Fisher的有关量子意识的文章 ？

马修·费舍尔 （ Matthew Fisher）是加州大学圣塔芭芭拉分校的理论物理学家。 他受到称赞和崇敬，特别是因为他在超导体方面的工作。 几年前，马修开始对生物化学产生兴趣。 他当然知道，大多数物理学家都怀疑量子过程是否参与了意识的形成。 但是他想，如果不是这样，他们将如何参与？ 我想-在2015年，我在《物理学年鉴》上写了一篇文章 ，其中在逆向工程的帮助下，我提出了量子意识的一种变体。

研究生在任何情况下都不应考虑此类任务，即使是三米长的无线电天线也应具有常识。 但我相信约翰·普雷斯基尔（John Preskill）像地球上的其他任何人一样。
我会看这篇文章 ，我说。



马修（Matthew）提出，量子物理学可以如下影响意识（ 大约每篇关于哈布雷的文章 ）。 实验人员已经使用一种热，湿和随机系统进行了核计算： 核磁共振（NMR） 。 NMR在磁共振成像 （MRI）中用于获取人脑的图像。 标准NMR系统由高温下的液体分子组成。 这些分子又由原子组成，原子核具有称为Spin的量子性质。 核的自旋可以编码量子信息（CI）。

马修认为：是什么能阻止原子核的自旋将量子信息存储在我们的大脑中？ 他列出了可能破坏量子信息的事物清单，并得出结论，氢离子构成了最大的威胁。 它们可能通过偶极-偶极相互作用而与自旋纠缠（并导致退相干 ）。

如何旋转避免这种威胁？ 例如，数量级旋转 核的电四极矩为零；四极相互作用不会导致这种自旋退相干。 在我们体内的原子中，自旋等于 ？ 在氢和磷中。 只有氢易受其他退相干因素的影响，因此马修得出结论：磷原子可以在我们的大脑中存储CI，而磷核的自旋像量子位（量子位）一样工作。

磷不受电相互作用的影响，但是磁偶极-偶极相互作用又如何呢？ 这种相互作用取决于自旋相对于其在空间中的位置的取向。 如果磷是悬在生物流体中的小分子的一部分，则核的位置将随机变化，并且平均而言相互作用将为零。

除磷外，分子中还有其他原子。 这些原子的核可与磷自旋相互作用，并破坏其量子态。 仅在一种情况下不会发生这种情况：当这些原子核的所有自旋都等于零时。 人体的哪个原子核的后部等于零？ 在氧气和钙中。 因此，磷将受到保护，不会与钙和氧分子中的其他原子发生相互作用。

马修提出了他自己的分子形式，可以保护磷免于退相干。 然后我发现科学文献中确实描述了这种分子。 分子 称为Posner团簇或Posner分子 （我简称为Posner）。 波斯纳可以存在于人造双流体中-流体是用来模拟我们体内的流体。 据认为，波斯纳人可以存在于我们的体内并参与骨骼的形成。 马修（Matthew）估计，波斯纳（Posners）可以保护磷矿1-10天免于退相干。


波斯纳分子 （图片由Swift 等提供）

但是波斯人如何影响意识？ 马修提出了以下选择。 三磷酸腺苷分子（ATP）是生物化学反应的能源。 “三磷酸”是指它包含三个磷酸根离子-化合物 由一个磷原子和三个氧原子组成 两种磷酸盐可以与ATP分子分开，同时保持彼此连接。

一对磷酸盐会漂移，直到遇到称为焦磷酸酶的酶为止。 该酶可以将一对磷酸酯分解成两个独立的磷酸酯。 同时，正如Matthew所建议的那样 ，磷核的自旋与Leo Rajihovsky一起投射成单重态 ，这是一个最大混乱的状态。

想象一下生物流体中的许多磷酸盐。 六个磷酸根可与九个钙离子结合形成一个Posner分子。 每个Posner与其他Pozner可以有六个共同的单打-这就是纠结的Posner分子的整个云层形成的方式。
一束Posner可以进入一个神经元，而另一束-进入另一个神经元。 结合蛋白可以通过VGLUT蛋白（BNPI）跨细胞膜转移。 因此，两个神经元也被混淆了。 想象一下两个Posner，P和Q，在神经元N中收敛。量子化学计算表明，这些Posner可以相互结合。 假设P与神经元N'中的 Posner P'纠缠在一起。 如果将P和Q合并到神经元N中 ，则P和P'之间的纠缠将增加合并P'和Q'的可能性。

团结的波斯纳人将行动缓慢-他们将不得不克服水的阻力。 氢和镁可以代替波斯纳中的钙，破坏分子。 带负电的磷酸盐会吸引带正电的磷酸盐 和 ，就像磷酸盐吸引 。 释放的钙将充满N和N'神经元。 钙浓度增加导致轴突上出现化学势，并释放在两个神经元之间传递信号的神经递质。 如果两个神经元N和N被Posner分子缠结，则两个神经元可以同时点燃。



我们不知道马修提出的机制是否在我们的大脑中起作用。 但是，去年， 海辛·西蒙斯基金会（Heising-Simons Foundation）向马修（Matthew）及其同事分配了120万美元用于实验。

约翰·普雷斯基尔（John Preskill）告诉我：例如，马修（Matthew）的想法至少部分是正确的，而波斯纳（Posner）的分子可以真正存储量子信息。 量子系统处理信息的方式与传统系统不同。 波斯纳能多快地处理量子信息？
我在大专毕业的五年级就投入了长矛，并从加州理工学院（Caltech）进行了为期五个月的实习，发誓要返回一篇回答约翰的问题的文章。 所以我做到了：该文章本月发表在《物理学年鉴》上 。



幸运的是，我能够使我的项目引起Elizabeth Crosson的兴趣。 伊丽莎白现在是新墨西哥大学的助理教授，当时是约翰小组的博士后。 我们都处理过量子信息理论，但是我们的资格，能力和优势各不相同。 我们相辅相成，固执己见，这迫使我们继续日夜发送信件和交换信息。

我和伊丽莎白（Elizabeth）将马修（Matthew）的思想从生物化学语言翻译成CI理论的数学语言。 我们将Matthew的叙述分为一系列生化步骤，并发现了每个步骤将如何转换磷核中记录的CI。 我们以方程式和流程图元素的形式展示了每个变换（流程图元素是可以一起创建以创建工作算法电路的图像）。 我们称这组转换为Posner操作。

想象一下，您可以通过准备分子，尝试连接它们等来执行Posner操作。 您如何通过此类操作处理CI？ 伊丽莎白和我发现了在量子消息传递，量子错误记录和量子计算中的应用。 我们的结果基于Matthew做出正确结论的一个假设（可能是错误的）。 我们描述了如果积极管理Pozner，尽管随机影响会引导他们进入生物体液，但他们可以取得什么成就。 但这至少是进一步研究的良好起点。

我们发现了Posner分子可以实现的几种CI效应。 首先， KI可以从一个Posner传送到另一个，但是会产生噪音。 它的性质在于结合在一起时Posner相互执行的有效维度。 此维通过粗糙的Bell维来变换两个Posner的Hilbert空间的子空间。 贝尔测量给出四个可能结果之一或两位。 如果其中一位被丢弃，则测量结果将很粗糙。 量子隐形传态需要进行贝尔测量，而将其粗化会导致噪声。

这种嘈杂的隐形传态也称为超密集编码 。 位是采用两个值之一的随机参数，而“ trit”是可以采用三个可能值之一的随机参数。 如果三脚架之间可以直接纠缠，则可以有效地将三脚架从一个波斯纳传送到另一个。



其次，马修认为Posner结构可以保护CI免受退相干的影响。 科学家已经开发出纠错和检测程序，以防止CI出现退相干。 Pozner可以在我们的模型中实现此类程序吗？ 结果是肯定的：Elizabeth和我（在Caltech Fernando Pastavsky的前博士后的帮助下）开发了一种程序，该程序可以检测可在Posner上使用的错误。 一个Posner对一个逻辑kutrit（trit的量子版本）进行编码，并且代码检测到Pozner中六个量子位之一发生的任何错误。

第三，使用波斯纳运算可制备的量子态有多复杂？ 正如我们所发现的，这非常复杂：假设您可以在本地测量此状态，以便先前测量的结果将影响将来的测量。 您可以进行任何量子计算。 也就是说，使用Posner操作，您可以准备可用于创建通用量子计算机的状态 。

最后，我们找到了纠缠对Posner缔合速率影响的数值估计。 想象一下，您已经准备了两个仅与其他粒子混淆的Posner P和P'。 如果Posners更接近正确的方向，则在我们的模型中它们的关联概率为33.6％。 而且，如果P中的每个量子位与P'中的一个量子位最大程度地混淆了，则合并的可能性会增加到100％。


我和伊丽莎白（Elizabeth）和我在2015年的一篇文章中以流程图的形式介绍了马修（Matthew）所描述的过程。

我担心其他科学家会疯狂地嘲笑我们的工作。 令我惊讶的是，她受到了热烈的欢迎：她的同事们称赞了研究朝着新方向发展的风险。 另外，我们的工作一点也不疯狂：我们不声称量子物理学会影响意识。 我们以马修的假设为基础，指出它们可能是错误的，并研究了他的假设的后果。 我们既不是生物化学家，也不是实验者，因此我们将自己局限于CI理论中的陈述。

Pozner可能无法保持足够长的相干性，无法在信息处理中使用量子效应。 马修的错误会终止我们的研究吗？ 不行 波斯纳促使我们对CI理论提出了一些想法和问题。 例如，我们的量子电路说明了相互作用（单一门）和通过组合Pozners进行的测量。 这些计划在一定程度上促使了去年夏天出现的一个新的研究领域的兴起，现在该领域正在蓬勃发展。 让我们穿插测量的随机unit门。 ary相互作用会纠缠量子位，尺寸会破坏纠缠。 哪些影响会更显着？ 在给定的测量频率下，系统会从“大混乱”状态变为“大混乱”状态吗？ 来自圣巴巴拉和科罗拉多的研究人员; 麻省理工学院 牛津 ; 英国兰开斯特 ； 伯克利 斯坦福大学 普林斯顿解决了这个问题。

众所周知，有抱负的物理学家即使在瑞士警卫的戟下也不应触及量子意识。 但是我很高兴尝试：我学到了很多东西，为科学做出了贡献，这是一次冒险。 如果有人不同意这种无礼，我可以怪约翰·普雷斯基尔。

可以在此处找到文章“量子认知的波斯纳模型中的量子信息”。 arXiv的版本在这里 ， 这是文章的报告。