意识的本质是量子纠缠

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诺奖级猜想：意识的本质是量子纠缠？

【编者按】近期，一篇有关量子脑理论的学术论文受到了广泛关注，作者

Matthew Fisher 是 IBM T. J. Watson 研究中心史上第一位访问学者，

他在论文中给出了多种可行的实验验证方案，学术界或许在今年就能给出部分

结论，我们不妨拭目以待。如果意识的本质真的是量子纠缠，Fisher 的这一

工作无疑是诺奖级猜想。本文来自新智元邀请的北京大学信息学院电子学系副

教授任全胜对量子脑理论等相关问题做了进一步解读。

Matthew Fisher 是谁？

意识的本质是量子纠缠吗？ 是 研究中心史上第一位

访问学者，随后在加利福尼亚大学物理学系及  理论物理学研究所工作。

 年，他暂时离开  物理学系，以研究物理学家的身份加入了微软

 实验室。在  到 学年， 在 担任教职，并

于 年夏天回到  物理学系。今年  获得美国物理协

会的奥利弗!巴克利奖，这是物理学的顶级奖项，这也让他获得诺贝尔奖的呼声

非常大。他在 " 年当选美国文理科学院院士，于  年当选美国国家科

学院院士。

 在量子脑理论的论文中给出了多种实验验证方案。考虑到相关实验的可

行性，学术界或许在今年就能给出部分结论，我们不妨拭目以待。如果意识的

本质真的是量子纠缠， 的这一工作无疑是诺奖级猜想。以下是任全胜老

师对量子脑理论等相关问题的解读。

以下是正文；

意识的本质是量子纠缠吗？

|一、缘起

# 年月 日，清华大学副校长施一公院士在“未来论坛”年会上做了一场

大胆新颖的演讲，其中涉及了有关生命本质的思考、神经活动中的量子机制、

量子相干保持时间的技术进化、第六感官、人类的认知极限、宏观——微观—

—超微观世界的关系等跨界和前卫的科学问题，给国内略显沉寂的科学氛围带

来了阵阵涟漪。这个演讲在赢得喝彩的同时，也招致了一些非议，一些学者分

别从缺乏实验验证、有失严谨、接近伪科学、简单还原论、外行跨界等角度提

出了自己的看法。

$这是要创建一个‘量子纠缠’教吗？”的质疑言犹在耳，中科大常务副校长潘建伟

院士就于 月"日在一篇报道中就量子纠缠、人类和人工智能（%&'

()'简称%）三者的关系亮明了自己的观点：“人类大脑里面的思维机制

和量子纠缠、量子叠加是紧密联系在一起的。量子测不准原理告诉我们，你是

不可测的，‘不可测’就保证了人类和机器人的本质区别，人类有自由的意志和自

由的思想。从这个角度上来讲，没有到量子用上去之前，即不到量子人工智能

的时代，我是一点儿不担心人工智能会取代人类。”潘校长的观点则在人工智能

界引起了关注和讨论。

实际上，施校长和潘校长上述观点的核心，都聚焦在量子与生命的关系，及其

对生命科学、量子信息、人工智能等领域的前瞻性启示意义。他们作为中国一

流大学的副校长与中国科学院院士，理应对科学发展的趋势提出自己战略性的

预见。“量子与生命的关系”这一科学命题本身也非异端邪说，对应于量子生物

学这一新兴交叉学科。笔者应新智元之约，尝试结合前期的一些调研和思考，

对上述量子与生命的相关争议做进一步解读。

* 年的真理标准大讨论打破了“两个凡是”的思想教条，在当时僵化的意识形

态壁垒上撕开了一道口子，为“改革开放”开辟了空间。科学相比于政治，更是

不唯上、不唯书，只唯实的，历史上的科学革命，也都是以个别“违教条、反常

识”的学说或实验为先导，在沉闷的科学意识形态壁垒上撕开一道口子，为新科

学的诞生开辟空间。围绕重大而根本的科学问题，开展一次百家争鸣的学术讨

论，会促进中国科技事业的发展、融入科学革命的进程。但笔者尚非“学家”，

且于不同学科班门弄斧，错漏浅薄难免，不值方家一笑，聊以抛砖引玉。

|二，从量子脑理论到量子生物学

让“上帝的归上帝，恺撒的归恺撒”，我们这里应当回归“量子与生命”的科学问题

本身。神经活动背后的量子机制，或曰量子脑理论，围绕这个问题的研究和争

论由来已久。

广义相对论领域与霍金齐名的罗杰!彭罗斯+,('-.于* 年在其

《皇帝的新脑》一书中即提出，已知的物理学定律不足以解释意识现象，而他

认为未来正确的量子引力新物理学应当在经典与量子力学之间架起一座桥。他

认为大脑可能利用了量子测量时波函数塌缩的特性，而目前单纯由算法驱动的

电脑不足以实现强人工智能。而今年 月/ 日刚刚去世的“人工智能之父”马

文!明斯基+'01.早在 年即针对彭罗斯的观点亮明了自己的态

度，他相信人类本质上是机器，尽管在功能上很复杂，却完全能够被当代的物

理学所解释。——都是开山鼻祖式的人物，“布里顿的驴子”会听谁的？

随后，彭罗斯与斯图亚特!哈梅罗夫+2'345.合作，提出了他们的神

经微管量子引力效应理论。后来针对这个学说，学术界也展开了持久的争论，

而争论的焦点则集中在微管量子相干的保持时间上。正如施一公在演讲中提到

的，“微管可以形成量子纠缠，但是微管的时间尺度是 6+7.秒到6+7

".秒，远远小于人的记忆和意识的形成时间。”——量子相干保持时间或量子

退相干问题是整个“量子与生命”问题中最紧要的关键点，而这涉及到施一公所

谈的宏观——微观——超微观世界的分野。

从本质上看，一只蚂蚁或一个小球都是由巨量的微观粒子构成的。为何人类不

尝试用量子力学来描述这些宏观物体呢？是因为这些巨量微观粒子间的随机热

运动导致波函数之间难以“步调一致”，两个粒子之间即使能够产生纠缠态，也

会随即被嘈杂、混乱的周围环境所破坏，换句话说，就是难以形成具有功能意

义上的量子相干保持时间。当然，宏观尺度上有时也可以表现出量子效应，这

属于超流、超导等宏观量子现象的研究领域，一般需要足够低的温度做保证。

可以理解为，在接近绝对零度的时候，原子或电子的随机热运动才能够“冷静”

下来，发生超导或超流的相变。而反观生物体内的环境，它温度太高了，量子

力学的理论与实验经验毋庸置疑地表明，如此湿热、嘈杂、混乱的环境里不可

能存在与生命功能密切相关的量子效应。

果真如此吗？

施一公演讲中有关神经活动中存在量子效应的观点，主要引述自加州大学圣塔

芭芭拉分校+.著名凝聚态物理学家  ' 于8 年月"

日发表于%'9'-1 的一篇文章，题为《224'()''

:;1'9':(' '2':''';》<=，从理论

上论证了基于磷原子核自旋的量子神经机制的可能性。这篇文章最吸引人之处

在于，它在理论上论证了以波斯纳分子集群(Posnermoleculeorcluster

)形式存在的磷酸钙，可以作为磷原子自旋量子比特的存储器，其量子相干保持

时间可以大于 10 的5次方秒，也就是一天以上的时间。而神经科学中学习与

记忆的基础——类似>- 等长时程突触增强与抑制现象的持续时间就是几小

时到 天的尺度。因此，这么长的量子相干时间尺度足以覆盖大多数的神经活

动。

在量子信息科学的视角下，这又意味着什么呢？

让我们先回首澳大利亚国立大学助理教授 ' 领导的量子信息研

究组于一年前发表在?2 上的一个工作。他们通过激光在稀有元素铕原子

核的自旋态上写入量子比特后，实现了长达#个小时的量子相干时间。诀窍在

于，他们将晶体放在一个固定和振荡磁场的结合体内以保存脆弱的量子信息。

这篇文章的第一作者、中国留学生钟满金在接受新华社记者采访时说：“量子态

非常脆弱，一般会在几毫秒内坍塌。我们把这个存储时间延长到几个小时，这

可能会彻底改变量子纠缠态在通信网络中的传输方式。即使是以行人的速度传

输我们的晶体，在特定距离内我们这种方法的损耗也要远远少于激光系统。也

就是说，人们可以将这些晶体当做用于量子纠缠的可携带的硬盘。”——从这个

角度看，量子相干保持时间，如晶体管门电路尺寸之于传统信息科技一样，的

确可以作为衡量量子信息科技的进化指数。

 研究组的工作与 探讨的量子神经机制有三个共同点：一是都“选

择了”原子核的自旋态作为量子比特的存储载体；二是都要“千方百计”地屏蔽周

围环境的电磁场对原子核自旋量子态的干扰和破坏作用；三是二者给出的量子

相干保持时间在量级上是接近的，而磷酸钙波斯纳分子的量子相干保持时间更

长，达到了天的量级。那么，在类似人体体液的体外溶液中存在的纳米级磷酸

钙波斯纳分子，何以能够- 人类最前沿的量子存储技术呢？原因在于，波斯

纳分子在水中以每秒 的 次方高速转动，即磷原子核处的偶极磁场幅度和

方向将以 皮秒为时间量级而飞快改变，这意味着可以等效地“屏蔽”掉周围水

分子的质子偶极磁场对其的影响。如果  的理论推算在不久的将来能够被

体外溶液中的同位素实验所证实，人类将再次见识自然与生命的鬼斧神工。

 的工作比起之前的量子脑理论更吸引人的原因是多方面的。除了前述相

干时间的因素外，还有如下一些亮点：



他提出了一套完整的神经量子信息体系。



包括量子比特、量子纠缠的产生、量子传输与存储、量子测量，及分子层面的

量子相干与测量对细胞层面神经脉冲活动的影响机制等，它们都有潜在的生物

分子及相关酶化学反应过程等作为载体，整个逻辑链条的每个环节都清晰明确、

有理有据。即使单纯从量子信息系统的研究角度看，其思路也是有创新意义的。



量子纠缠产生机制所发生的载体——焦磷酸盐及其水解的酶化学过程，与

生命体能量存储运输的基本单元 ATP 直接相关。



焦磷酸盐是%- 水解过程的两个产物之一+另一个是 %-.，焦磷酸酶也在生命

体里普遍存在。%- 对于体内细胞来说异常重要，因为它作为储能器，可以轻

易地被输送到各处细胞为生命活动供给能量。这听起来给人的感觉是，似乎量

子纠缠机制不仅仅会涉及神经活动，这方面尚有待进一步的探索。但%- 水解

的逆过程，即将具有较高能量的磷酸盐与%- 组装为%- 的过程，分别涉及

动物体内的氧化作用及植物体内的光合作用，而量子生物学的研究表明，量子

隧穿、量子游走等机制在其中都扮演着关键的角色。



Fisher 不仅做了理论论证，还提出了可行的多种实验验证途径上的。



例如作者提到，液态核磁共振+?,.方法可以用来测量波斯纳分子集群中磷原

子核的自旋动力学（自旋相干时间），用原子核自旋非零的钙、氧同位素替换

方法可以使分子中磷原子核自旋态退相干，并通过 ?, 测量到。据

?  的报道， 正在与斯坦福大学的神经科学家和分子生物学

家合作，试图通过实验给出证据；很多实验方案在中国也是不难开展的。考虑

到相关实验的可行性，学术界或许在今年就能给出部分结论，我们不妨拭目以

待。

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摘要：

诺奖级猜想：意识的本质是量子纠缠？【编者按】近期，一篇有关量子脑理论的学术论文受到了广泛关注，作者MatthewFisher是IBMT.J.Watson研究中心史上第一位访问学者，他在论文中给出了多种可行的实验验证方案，学术界或许在今年就能给出部分结论，我们不妨拭目以待。如果意识的本质真的是量子纠缠，Fisher的这一工作无疑是诺奖级猜想。本文来自新智元邀请的北京大学信息学院电子学系副教授任全胜对量子脑理论等相关问题做了进一步解读。MatthewFisher是谁？意识的本质是量子纠缠吗？Fisher是IBMT.J.Watson研究中心史上第一位访问学者，随后在加利福尼亚大学物理学系及Kavli...

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