量子计算是一种计算类型,其操作可以利用量子力学的现象,例如叠加、干涉和纠缠。量子计算具有超越经典计算的优势,被认为能够快速解决经典计算无法解决的某些问题。
人的大脑的认知与决策具有超越经典计算机的明显优势,能够快速解决经典计算机无法解决的某些问题。
在正在进行的实现量子计算全部潜力的工作中,科学家也在尝试窥视我们自己的大脑,看看我们的大脑跟量子计算有没有实际的联系。
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发表在最近《物理学通讯》杂志上的论文中,都柏林大学三一学院的物理学家们报告说,一项新的研究表明,大脑实际上与量子计算机有很多共同之处。
论文题为:“非经典脑功能的实验指标”。研究人员在论文中写道:“我们的研究结果表明,我们可能已经目睹了由意识相关的大脑功能介导的纠缠。 然后,这些大脑功能必须以非经典方式运作,这意味着意识是非经典的。”
这些发现可以让人们进一步认知到很多关于大脑神经元的功能以及量子力学的基本原理。例如,这项研究可能会解释为什么我们的大脑在某些任务上仍然能够胜过超级计算机,例如做出决定或学习新信息。
与许多量子计算研究一样,这项研究着眼于量子纠缠的概念,两个独立的粒子处于联系在一起的状态。
论文第一作者、都柏林大学的物理学家、克里斯蒂安·克斯肯斯(Christian Kerskens)表示说:"我们设计了一种想法,它是为证明量子引力的存在而开发的实验,据此采取已知的量子系统,与一个未知的系统相互作用。”"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。"
换句话说,已知系统之间的纠缠或关系只有在中间的中介系统——未知系统——也在量子水平上运行时才能发生。虽然未知系统不能被直接研究,但其影响可以被观察到,就像量子引力一样。
在这项研究中,"脑水",即积聚在大脑中的液体的质子自旋作为已知系统,用定制的磁共振成像(MRI)扫描来非侵入性地测量这些自旋质子活动。粒子的自旋决定了它的磁和电特性,是一种量子力学特性。
通过这种技术,研究人员能够看到类似于心跳诱发电位的信号,这是一种脑电图(EEG)信号。这些信号通常不能通过核磁共振检测到,而且认为它们显示出来是因为大脑中的核质子旋转被纠缠在一起。
该团队记录的观察结果需要通过未来多个科学领域的研究进行确认,但早期结果看起来对人脑在活动时发生的非经典的量子现象很有希望。
克斯肯斯解释说:"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的。"
克斯肯斯表示,照亮核磁共振读数的大脑功能也与短期记忆和有意识的认知有关,这表明量子过程,如果它们确实是这样的话,在认知和意识中起着关键作用。
研究人员接下来需要做的是更多地了解大脑中这个未知的量子系统,然后可能会有助于完全理解我们头脑中携带的量子计算机的工作原理。
克斯肯斯表示说:"我们的研究实验正好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,它可能会揭示生物学的奥秘,以及在科学上更难掌握的意识的问题。"
80多年前,也就是在这个著名的都柏林三一学院,薛定谔发表了著名的演讲,这个系列演讲进行了一个多月,后来被整理成书出版,即是极具影响力的小书,取名《生命是什么》。早期的量子理论家,如薛定谔认为,人的生命及其大脑与量子及其波函数有关系,但一直只是处于一种推测与猜想。
其他著名的量子科学家,如1963年诺贝尔物理学奖获得者维格纳提出了量子力学与心智的运作有关的观点,他提出波函数由于与意识的相互作用而坍缩;著名数学物理学家、普林斯顿高等研究院教授弗里曼·戴森认为,“心智,正如做出选择的能力所表现的那样,在某种程度上是每个电子所固有的”。
如果这一实验研究可被证实,这将开启量子认知科学的新的篇章。量子认知是一个新兴领域,它应用量子理论的数学形式对认知现象进行建模,例如人脑的信息处理、语言、决策制定、人类记忆、概念和概念推理、人类判断和感知。该领域过去一直假设大脑存在某种微观物理量子力学,但缺乏实际的依据。
但也有许多科学家和哲学家不认为大脑与量子有实际联系。研究人员在论文中写道:“我们的研究结果可能不赞成量子纠缠或相干不能在大脑炎热潮湿的环境中生存的说法。除了我们试图在这里回答的基本问题之外,我们还发现了一种未被发现的核磁共振对比,它可以检测超出常规功能核磁共振成像的大脑活动。它可能在心理学和医学上有有趣的应用。”
如果这一实验研究可被承认,这将有助于量子认知科学中的许多领域开启新的篇章,如包括:信息处理的类量子模型(“类量子大脑”)、人的决策、人的概率判断、人的知识表示、语义分析和信息检索、格式塔知觉等等。
参考:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2399-6528/ac94be
来自:量子认知