發表在昨天的《自然·物理》上的一篇重要論文中，一個由中外數學學家組成的科研團隊報告說，通過研究“分形網路中的量子傳輸，”“從而為理解由分形支配的更復雜的量子現象開辟了公路”，其中包括為通過量子化學學來理解人的意識現象開辟了公路。
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該研究論文成果由圖靈量子創始人、上海交通學院集成量子信息技術研究中心所長金賢敏院士團隊與知名女理論化學學家、克里斯蒂安·德·莫萊斯·史密斯（deSmith）合作完成。
國外許多人可能曉得金賢敏，而對史密斯許多人就不認識。在介紹這一研究成果前，先簡單介紹一下史密斯，她是烏得勒支學院理論化學研究所院士，匯聚態化學系院長、領導一個研究匯聚態化學、冷原子和強相關系統的研究團隊。2019年，“由于她在匯聚態系統和超冷原子理論方面作出了杰出貢獻，以闡明物質的新量子態最先推測黑洞存在溫度的物理學家，”歐洲數學學會授予她以艾米·諾特獎，該獎項以知名的''代數女皇''與理論化學學家艾米·諾特命名，”她發表有100多篇學術論文，其中多篇論文被公覺得“編輯推薦”和“科學亮點”，論文被引用3千多次。同時是法國數學學刊物B的編輯，該刊物專注于匯聚態物質和復雜系統。2014年中國國家外國專家局授予她“高端外國專家”教授職位。
該研究論文題為：“分形網路中的量子傳輸”。基于這一論文研究成果，史密斯明天在日本知名新聞刊物《》（對話）發表文章，題為：“量子化學學可以解釋意識嗎？我的研究使我們離發覺更近了一步”。
我們許多人都曉得，我們的意識是怎么完善的這一問題，是科學上始終難于無從下手的疑團。一些科學家覺得意識是由量子過程形成的，但該理論仍未經過實證檢驗。
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1990年代，在因對黑洞的預測而獲得2020年諾貝爾化學學獎之前，化學學家彭羅斯與麻醉學家哈默羅夫合作提出了一個雄心勃勃的答案。她們提出，腦部的神經元系統產生了一個復雜的網路，由此形成的意識應當遵循量子熱學的規則，這個理論定義了像電子這樣的微小粒子怎樣在腦部聯通，這可以解釋人類意識的神秘復雜性。
這些理論受到了懷疑。量子熱學定理一般只適用于特別低的氣溫。諸如，量子計算機目前是在零下272°C左右運行的。在更高的氣溫下，精典熱學起到作用。因為我們的身體是在溫度下工作，所以可能會期望它受精典化學定理的支配。出于這個緣由，量子意識理論被許多科學家徹底駁回——盡管也有其他人相信、支持。
因此史密斯決定與南京交通學院金賢敏院士領導的團隊聯手，測試支撐量子意識理論的一些原則。該新論文研究了量子粒子怎樣在像腦部這樣的復雜結構中聯通——但在實驗室環境中。史密斯表示說，“如果有三天我們的發覺可以與腦部中檢測的活動進行比較，我們可能更接近驗證或駁回彭羅斯和哈默洛夫有爭議的理論。”
中國科技學院生物化學與神經學家張效初團隊在明年1月20日發表于《自然-人類行為》期刊的研究中，通過腦成像結果表明部份腦區可能與這些“與量子相像”的思維進程相關，“這是首個在神經學層面支持量子認知的研究。”該新研究成果使科學家離發覺量子認知的奧秘又進了一步。
腦部和分形
我們的腦部由稱為神經元的細胞組成，它們的綜合活動被覺得會形成意識。每位神經元都富含微管，可將物質輸送到細胞的不同部位。彭羅斯量子意識理論覺得，微管以分形模式建立，這促使量子過程發生。
分形是既不是二維也不是三維的結構，而是介于二者之間的一些分數值。在物理中，分形以美麗的紋樣出現，無限重復，形成看似不可能的東西：面積有限但邊長無限的結構。
這聽上去可能難以想像，但分形實際上在自然界中到處發生，我們許多人對分形并不陌生。假如仔細觀察萵苣的小花或豆科動物的樹枝，會發覺它們都由相同的基本形狀組成，它們一遍又一遍地重復自身，但規模越來越小，這是分形的一個關鍵特點。（參見：《科學》封面文章：科學家破解了羅馬花菜“分形”背后的物理原理）
假如瞧瞧我們自己身體內部也會發生同樣的情況：比如最先推測黑洞存在溫度的物理學家，肺結構是分形的，循環系統中的血管是分形的。分形也出現在誘人的藝術作品中，并且早已在技術中使用了幾六年，比如在天線設計中。那些都是精典分形的事例——遵循精典數學學而不是量子化學學定理的分形。
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史密斯表示說，“很容易理解為何分形被拿來解釋人類意識的復雜性，由于它們無限復雜，容許從簡單重復的模式中出現復雜性，它們可能是我們思想神秘深處的結構支撐。但若果是這些情況，它只能發生在量子水平上，微小粒子在腦部神經元內以分形模式聯通。這就是為何彭羅斯和哈默洛夫的提議被稱為量子意識理論。”
意識和量子分形
史密斯說，“我們還不能檢測腦部中量子分形的行為——如果它們存在的話。而且先進的技術意味著我們如今可以在實驗室中檢測量子分形。在近來涉及掃描隧洞顯微鏡的研究中，我和我在烏得勒支的朋友們當心翼翼地將電子排列成分形紋樣，進而創造出一個量子分形。
當我們檢測電子的波函數（描述它們的量子態）時，我們發覺它們也生活在由我們制做的數學模式決定的分形維數上。在這些情況下，我們在量子尺度上使用的模式是謝爾賓斯基三角形，它是一種介于一維和二維之間的形狀。”
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這是一個令人激動的發覺，但掃描隧洞顯微鏡技術難以偵測量子粒子怎樣運動，科學家須要更多關于量子過程怎樣在腦部中發生的信息。所以在該最新的研究中，史密斯和重慶交通學院團隊合作更進了一步，使用最先進的光子學實驗，便于才能先前所未有的細節闡明分形內發生的量子運動。
研究人員通過將光子注入人工芯片來實現這一目標，該芯片悉心設計成一個微小的謝爾賓斯基三角形。研究人員在三角形的尖端注入光子，并觀察它們怎樣在稱為量子傳輸的過程中在其分形結構中傳播。之后在兩種不同的分形結構上重復了這個實驗，它們的形狀都是正圓形而不是三角形。在這種結構中的每一個中，都進行了數百次實驗。
重復的圓形分形
研究人員還對稱為“謝爾賓斯基地毯”的圓形分形進行了實驗。從這種實驗中觀察到的結果表明，量子分形實際上與精典分形表現不同。具體來說，發覺與精典情況相比，在量子情況下，分形上的光傳播受不同定理的支配。
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史密斯表示，“這種關于量子分形的新知識可以為科學家們提供實驗測試量子意識理論的基礎。假如有三天從人腦中進行量子檢測，可以將它們與我們的結果進行比較，以確定意識是精典現象還是量子現象。”
“我們的工作也可能對整個科學領域形成深遠的影響。通過研究我們人工設計的分形結構中的量子傳輸，我們可能早已邁出了統一數學學、數學和生物學的第一步，這將極大地豐富我們對周圍世界以及存在于我們腦海中的世界的理解。”
分形令人著迷，除了由于它們的美感，還由于它容許研究非整數維度的數學特點。在那些特別規系統中，許多內在特點可能會發揮作用，包括分形維數和分形幾何。雖然有大量的理論研究，但分形網路中的實驗一直未能飄忽。
該研究通過在分形光子晶格中執行連續時間量子穿行實驗性地研究分形網路中的量子傳輸。通過光子演變模式、均方位移和波利亞數闡明了傳輸特點。與精典分形相反，觀察到僅由分形維數控制的異常傳輸。據悉，從正常傳輸過渡到異常傳輸的臨界點取決于分形幾何。該研究實驗容許以定量的方法驗證數學定理，并特別詳盡地闡明傳輸動力學，因而為理解由分形支配的更復雜的量子現象開辟了公路。