光子纠缠可能是大脑中快速神经同步的关键

理解意识的本质是科学界最棘手的问题之一。有科学家提出，量子力学，尤其是量子纠缠，可能是解开这一现象的关键。

现在，中国的一组研究人员发现，许多纠缠光子可以在覆盖神经纤维的髓鞘中生成。这或许能解释神经元之间的快速通信，而这一速度此前被认为低于音速，无法解释神经同步是如何实现的。

“如果进化的力量在寻找一种方便的远距离作用方式，量子纠缠将是理想的选择，”上海大学定量生命科学中心及物理系的陈永聪教授在接受Phys.org采访时表示。

大脑通过在神经元之间发射电信号(称为突触)进行内部通信，神经元是神经组织的主要组成部分。正是数百万神经元的同步活动支撑了意识(以及其他脑部活动)。然而，这种精确同步是如何发生的仍然是未知的。

神经元之间的连接称为轴突——类似电线的长结构，轴突外包裹着髓鞘，这是一种由脂类组成的白色组织。

髓鞘由多达数百层组成，绝缘轴突、塑形并为其提供能量。(实际上，一系列这样的髓鞘覆盖了轴突的全长。髓鞘通常长约100微米，之间有1至2微米的间隙。)最近的证据表明，髓鞘在促进神经元之间的同步中也起着重要作用。

然而，信号沿轴突传播的速度低于音速，有时远低于音速——这太慢，无法解释大脑如何实现数百万神经元的同步，这些同步是大脑实现所有奇妙功能的基础。

为了解决这个问题，陈教授及其同事研究了轴突-髓鞘系统中是否存在纠缠光子，这些光子通过量子纠缠的“魔力”能够在相关距离内实现瞬时通信。

三羧酸循环释放存储在营养物质中的能量，并在循环过程中释放出红外光子。这些光子与脂质分子中的碳-氢键(C-H键)的振动耦合，激发它们到更高的振动能级。当这些键返回到较低的振动能级时，又释放出一连串光子。

中国研究团队将腔量子电动力学应用于一个由髓鞘包围的完美圆柱体，假设髓鞘的外壁是一个完美的圆柱形导电壁。

他们使用量子力学方法，对电磁场和腔内电场，以及光子进行了量子化处理，即将其全部视为量子物体，然后通过一些简化假设，求解得到的方程。

这样，他们得到了系统中两个光子与腔内物质相互作用的波函数。然后，他们通过计算光子的量子熵(由科学多面手John von Neumann发展出的经典熵的扩展)来确定光子的纠缠度，量子熵是衡量系统混乱程度的一个指标。

“我们证明，在某些情况下，这两个光子的纠缠度确实会更高。”陈教授在声明中说道。

导电壁限制了圆柱体内可存在的电磁波模式，使得该圆柱体成为一个电磁腔，能够保持大部分能量在其中。这些模式与存在于自由空间中的连续电磁波(“光”)不同。

正是这些离散模式导致髓鞘腔内频繁产生高度纠缠的光子，其生成速率相较于两个未纠缠的光子可显著增强。

纠缠意味着两个光子状态不再是两个光子状态的经典组合。相反，对一个光子的测量或与之互动会瞬间影响到另一个光子的相同性质，无论它们相距多远。

实验已经证明，纠缠可以存在于距离超过1000公里的系统中。在经典物理学中找不到类似的现象；这纯粹是量子现象。在这里，纠缠可能为沿着包裹轴突长度的髓鞘段实现更快的信号传递提供了可能性。

作者们写道，一种可能性是光子的纠缠可能会转化为神经元中钾离子通道的纠缠。如果是这样，一个通道的开启或关闭可能会影响到另一处的通道表现。

陈教授在接受Phys.org采访时表示，他们的研究结果是两个现象的结合，这两个现象已经存在但仍然很神秘：意识(更不用说量子意识了)和量子纠缠。

“我们不会说两者之间有直接联系。在这个早期阶段，我们的主要目标是识别可能的神经同步机制，这会影响许多神经生物学过程。通过这项研究，我们希望能够更好地理解这一现象。”