大脑中的量子光纤可增强处理能力或可预防退行性疾病

量子力学(适用于极小尺度的物理定律)的效应对干扰极为敏感。这就是为什么量子计算机必须保持在比外太空更低的温度下，而且通常只有非常小的物体(例如原子和分子)才会显示量子特性。按照量子标准，生物系统是相当恶劣的环境：它们温暖而混乱，甚至它们的基本组成部分(例如细胞)也被认为非常大。

但一组理论和实验研究人员发现了生物学中一种独特的量子效应，这种效应可以在这些困难的条件下存活下来，也可能为大脑提供一种保护自己免受阿尔茨海默氏症等退行性疾病的方法。该结果发表在《物理化学杂志》上，并被《科学》杂志评为编辑精选，这不仅是神经科学的一项重要发现，也为量子计算研究人员提供了技术的新应用，代表了一种思考生命与量子力学关系的新方式。

“我相信我们的工作是量子生物学的一次巨大飞跃，它将带领我们超越光合作用，进入其他探索领域：研究量子信息处理的含义，发现复杂疾病的新治疗方法，”华盛顿哥伦比亚特区霍华德大学量子生物学实验室首席研究员兼创始主任 Philip Kurian 博士说道。 这项 研究得到了盖伊基金会的支持。

单光子超辐射

这项研究的焦点是色氨酸：这种分子与火鸡大餐联系最为密切，但也存在于许多生物环境中。作为一种氨基酸，它是蛋白质以及由这些蛋白质构成的较大结构(如纤毛、鞭毛和中心粒)的基本组成部分。

单个色氨酸分子表现出相当标准的量子特性：它可以吸收特定频率的光粒子(称为光子)，并发射不同频率的另一个光子。这个过程称为荧光，在研究中经常用于研究蛋白质反应。

但研究发现，当许多色氨酸分子排列成对称网络时，就像它们在中心粒等较大的结构中一样，会发生奇怪的事情——它们发出的荧光比它们单独发出荧光时更强、更快。这种集体行为被称为“超辐射”，由于量子力学的原因，它只发生在单个光子上。

这一结果证明，在量子效应通常无法存在的地方，存在一种基本的量子效应：在温暖、“嘈杂”的环境中，一个较大的物体。

库里安说：“这篇出版物是我们十年研究的成果，我们认为这些网络是细胞层面重要量子效应的关键驱动因素。”

“这是一个美丽的结果，”领导实验团队的瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的 Majed Chergui 教授说道。“这需要非常精确和谨慎地应用标准蛋白质光谱方法，但在我们合作者的理论预测的指导下，我们能够确认微米级生物系统中的超辐射的惊人特征。”

神经元

这些大型色氨酸网络存在于神经元中，神经元是构成哺乳动物神经系统的细胞。纤维状神经元束中量子超辐射的存在具有两大潜在意义：预防退行性疾病和在大脑中传输量子信号。

阿尔茨海默氏症等退行性脑疾病与高度氧化应激有关——当身体携带大量自由基时，自由基会发射有害的高能紫外线粒子。

色氨酸可以吸收这种紫外线，并以更低、更安全的能量重新发射。而且，正如这项研究发现的那样，非常大的色氨酸网络由于其强大的量子效应，可以更有效、更稳健地做到这一点。

Kurian 表示：“这种光保护作用可能对改善或阻止退行性疾病的进展至关重要。我们希望这将激发一系列新实验，以了解量子增强光保护作用如何在高度氧化条件下出现的复杂病理中发挥作用。”

大脑中超辐射的第二个含义与神经元如何传递信号有关。神经元信号的标准模型涉及离子穿过膜从神经元的一端移动到另一端，这是一个化学过程，每个信号需要几毫秒。但神经科学研究人员最近才意识到，这不可能是全部。

大脑中的超辐射发生在不到一皮秒(十亿分之一毫秒)的时间内。这些色氨酸网络可以充当量子光纤，使大脑处理信息的速度比单纯的化学过程快数亿倍。

“库里安团队及其同事丰富了我们对量子生物学信息流的理解，”塔夫茨大学再生与发育生物学中心主任迈克尔·莱文 (Michael Levin) 表示，他并未参与这项研究。“这种量子光学网络非常普遍，不仅存在于神经系统中，还广泛存在于整个生命网络中。这种信号和信息处理模式的卓越特性可能与进化、物理和计算生物学息息相关。”

量子信息

这项研究的理论方面引起了量子技术研究人员的关注，因为对于那些希望使量子信息技术更具弹性的人来说，脆弱的量子效应在“混乱”环境中的生存具有重要意义。库里安说，他与几位量子技术研究人员进行了交谈，他们惊讶地发现生物科学中存在这样的联系。

“这些新成果将引起开放量子系统和量子计算领域大量研究人员的兴趣，因为这项研究中使用的理论方法在这些领域被广泛用于理解嘈杂环境中的复杂量子网络，”瑞士苏黎世联邦理工学院 (ETH) 的量子研究员 Nicolò Defenu 教授表示，他并未参与这项研究。“看到量子计算和生命系统之间的重要联系真的很有趣。”

这项研究还引起了量子物理学家马兰·斯卡利的注意，他是量子光学领域的激光先驱，也是超辐射领域的顶尖专家之一。斯卡利说：“单光子超辐射有望产生存储量子信息的新工具，这项研究在一个全新的不同背景下展示了它的影响。我们肯定会在未来几年密切研究其对生命系统中量子效应的影响。”

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