該研究論文成果由圖靈量子創(chuàng)始人、上海交通學(xué)院集成量子信息技術(shù)研究中心所長金賢敏院士團(tuán)隊(duì)與知名女理論化學(xué)學(xué)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(duì)史密斯許多人就不認(rèn)識(shí)。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(xué)院理論化學(xué)研究所院士，匯聚態(tài)化學(xué)系院長、領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究匯聚態(tài)化學(xué)、冷原子和強(qiáng)相關(guān)系統(tǒng)的研究團(tuán)隊(duì)。2019年，“由于她在匯聚態(tài)系統(tǒng)和超冷原子理論方面作出了杰出貢獻(xiàn)，以闡明物質(zhì)的新量子態(tài)，”歐洲數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)授予她以艾米·諾特獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)以知名的"代數(shù)女皇"與理論化學(xué)學(xué)家艾米·諾特命名，”她發(fā)表有100多篇學(xué)術(shù)論文，其中多篇論文被公覺得“編輯推薦”和“科學(xué)亮點(diǎn)”，論文被引用3千多次。同時(shí)是法國數(shù)學(xué)學(xué)刊物B的編輯，該刊物專注于匯聚態(tài)物質(zhì)和復(fù)雜系統(tǒng)。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(wǎng)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(duì)話）發(fā)表文章，題為：“量子化學(xué)學(xué)可以解釋意識(shí)嗎？我的研究使我們離發(fā)覺更近了一步”。
我們?cè)S多人都曉得，我們的意識(shí)是怎么完善的這一問題，是科學(xué)上始終難于無從下手的疑團(tuán)。一些科學(xué)家覺得意識(shí)是由量子過程形成的，但該理論仍未經(jīng)過實(shí)證檢驗(yàn)。
1990年代，在因?qū)诙吹念A(yù)測(cè)而獲得2020年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)之前，化學(xué)學(xué)家彭羅斯與麻醉學(xué)家哈默羅夫合作提出了一個(gè)雄心勃勃的答案。她們提出，腦部的神經(jīng)元系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)路，由此形成的意識(shí)應(yīng)當(dāng)遵循量子熱學(xué)的規(guī)則，這個(gè)理論定義了像電子這樣的微小粒子怎樣在腦部聯(lián)通，這可以解釋人類意識(shí)的神秘復(fù)雜性。
這些理論受到了懷疑。量子熱學(xué)定理一般只適用于特別低的氣溫。諸如，量子計(jì)算機(jī)目前是在零下272°C左右運(yùn)行的。在更高的氣溫下，精典熱學(xué)起到作用。因?yàn)槲覀兊纳眢w是在溫度下工作，所以可能會(huì)期望它受精典化學(xué)定理的支配。出于這個(gè)緣由，量子意識(shí)理論被許多科學(xué)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(xué)院金賢敏院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)聯(lián)手，測(cè)試支撐量子意識(shí)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(fù)雜結(jié)構(gòu)中聯(lián)通——但在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。史密斯表示說，“如果有三天我們的發(fā)覺可以與腦部中檢測(cè)的活動(dòng)進(jìn)行比較，我們可能更接近驗(yàn)證或駁回彭羅斯和哈默洛夫有爭議的理論。”
中國科技學(xué)院生物化學(xué)與神經(jīng)學(xué)家張效初團(tuán)隊(duì)在明年1月20日發(fā)表于《自然-人類行為》期刊的研究中，通過腦成像結(jié)果表明部份腦區(qū)可能與這些“與量子相像”的思維進(jìn)程相關(guān)，“這是首個(gè)在神經(jīng)學(xué)層面支持量子認(rèn)知的研究。”該新研究成果使科學(xué)家離發(fā)覺量子認(rèn)知的奧秘又進(jìn)了一步。
腦部和分形
我們的腦部由稱為神經(jīng)元的細(xì)胞組成，它們的綜合活動(dòng)被覺得會(huì)形成意識(shí)。每位神經(jīng)元都富含微管，可將物質(zhì)輸送到細(xì)胞的不同部位。彭羅斯量子意識(shí)理論覺得量子物理試題，微管以分形模式建立，這促使量子過程發(fā)生。
分形是既不是二維也不是三維的結(jié)構(gòu)，而是介于二者之間的一些分?jǐn)?shù)值。在物理中，分形以美麗的紋樣出現(xiàn)，無限重復(fù)，形成看似不可能的東西：面積有限但邊長無限的結(jié)構(gòu)。
這聽上去可能難以想像，但分形實(shí)際上在自然界中到處發(fā)生，我們?cè)S多人對(duì)分形并不陌生。假如仔細(xì)觀察萵苣的小花或豆科動(dòng)物的樹枝，會(huì)發(fā)覺它們都由相同的基本形狀組成，它們一遍又一遍地重復(fù)自身，但規(guī)模越來越小，這是分形的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)。（參見：《科學(xué)》封面文章：科學(xué)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(nèi)部也會(huì)發(fā)生同樣的情況：比如，肺結(jié)構(gòu)是分形的，循環(huán)系統(tǒng)中的血管是分形的。分形也出現(xiàn)在誘人的藝術(shù)作品中，并且早已在技術(shù)中使用了幾六年，比如在天線設(shè)計(jì)中。那些都是精典分形的事例——遵循精典數(shù)學(xué)學(xué)而不是量子化學(xué)學(xué)定理的分形。
埃舍爾分形藝術(shù)作品
史密斯表示說，“很容易理解為何分形被拿來解釋人類意識(shí)的復(fù)雜性，由于它們無限復(fù)雜，容許從簡單重復(fù)的模式中出現(xiàn)復(fù)雜性，它們可能是我們思想神秘深處的結(jié)構(gòu)支撐。但若果是這些情況，它只能發(fā)生在量子水平上，微小粒子在腦部神經(jīng)元內(nèi)以分形模式聯(lián)通。這就是為何彭羅斯和哈默洛夫的提議被稱為量子意識(shí)理論。”
意識(shí)和量子分形
史密斯說，“我們還不能檢測(cè)腦部中量子分形的行為——如果它們存在的話。而且先進(jìn)的技術(shù)意味著我們?nèi)缃窨梢栽趯?shí)驗(yàn)室中檢測(cè)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(dāng)心翼翼地將電子排列成分形紋樣，進(jìn)而創(chuàng)造出一個(gè)量子分形。
當(dāng)我們檢測(cè)電子的波函數(shù)（描述它們的量子態(tài)）時(shí)，我們發(fā)覺它們也生活在由我們制做的數(shù)學(xué)模式?jīng)Q定的分形維數(shù)上。在這些情況下，我們?cè)诹孔映叨壬鲜褂玫哪Ｊ绞侵x爾賓斯基三角形，它是一種介于一維和二維之間的形狀。”
這是一個(gè)令人激動(dòng)的發(fā)覺，但掃描隧洞顯微鏡技術(shù)難以偵測(cè)量子粒子怎樣運(yùn)動(dòng)，科學(xué)家須要更多關(guān)于量子過程怎樣在腦部中發(fā)生的信息。所以在該最新的研究中，史密斯和重慶交通學(xué)院團(tuán)隊(duì)合作更進(jìn)了一步，使用最先進(jìn)的光子學(xué)實(shí)驗(yàn)，便于才能先前所未有的細(xì)節(jié)闡明分形內(nèi)發(fā)生的量子運(yùn)動(dòng)。
研究人員通過將光子注入人工芯片來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該芯片悉心設(shè)計(jì)成一個(gè)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?cè)鯓釉诜Q為量子傳輸?shù)倪^程中在其分形結(jié)構(gòu)中傳播。之后在兩種不同的分形結(jié)構(gòu)上重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，它們的形狀都是正圓形而不是三角形。在這種結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)中，都進(jìn)行了數(shù)百次實(shí)驗(yàn)。
重復(fù)的圓形分形
研究人員還對(duì)稱為“謝爾賓斯基地毯”的圓形分形進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。從這種實(shí)驗(yàn)中觀察到的結(jié)果表明，量子分形實(shí)際上與精典分形表現(xiàn)不同。具體來說，發(fā)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。
史密斯表示，“這種關(guān)于量子分形的新知識(shí)可以為科學(xué)家們提供實(shí)驗(yàn)測(cè)試量子意識(shí)理論的基礎(chǔ)。假如有三天從人腦中進(jìn)行量子檢測(cè)，可以將它們與我們的結(jié)果進(jìn)行比較，以確定意識(shí)是精典現(xiàn)象還是量子現(xiàn)象。”
“我們的工作也可能對(duì)整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域形成深遠(yuǎn)的影響。通過研究我們?nèi)斯ぴO(shè)計(jì)的分形結(jié)構(gòu)中的量子傳輸，我們可能早已邁出了統(tǒng)一數(shù)學(xué)學(xué)、數(shù)學(xué)和生物學(xué)的第一步，這將極大地豐富我們對(duì)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(shù)維度的數(shù)學(xué)特點(diǎn)。在那些特別規(guī)系統(tǒng)中，許多內(nèi)在特點(diǎn)可能會(huì)發(fā)揮作用，包括分形維數(shù)和分形幾何。雖然有大量的理論研究量子物理試題，但分形網(wǎng)路中的實(shí)驗(yàn)一直未能飄忽。
該研究通過在分形光子晶格中執(zhí)行連續(xù)時(shí)間量子穿行實(shí)驗(yàn)性地研究分形網(wǎng)路中的量子傳輸。通過光子演變模式、均方位移和波利亞數(shù)闡明了傳輸特點(diǎn)。與精典分形相反，觀察到僅由分形維數(shù)控制的異常傳輸。據(jù)悉，從正常傳輸過渡到異常傳輸?shù)呐R界點(diǎn)取決于分形幾何。該研究實(shí)驗(yàn)容許以定量的方法驗(yàn)證數(shù)學(xué)定理，并特別詳盡地闡明傳輸動(dòng)力學(xué)，因而為理解由分形支配的更復(fù)雜的量子現(xiàn)象開辟了公路。
參考：