[论文解读] Natural and bionic neuronal membranes: possible sites for quantum biology

Lee Smolin|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2020

Photoreceptor and optogenetics research参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出了两种仿生量子技术：一种是利用³¹P核自旋作为量子比特、电子自旋作为控制量子比特的硅-磷脂双分子层器件；另一种是受手性磷脂驱动的神经元膜中的拓扑量子模型。核心贡献在于理论提出手性膜结构可能诱导陈-西蒙斯耦合，从而实现受几何保护的鲁棒拓扑量子比特，且可能与热噪声解耦。

ABSTRACT

A new concept for bionic quantum technology is presented based on a hybrid of a silicon wafer on which is layered a phospholipid membrane, such as is found in biological cell membranes. The phosphorus atoms in the head groups of the membranes carry nuclear spins which serve as memory qubits. The role of control qubits may be played by unpaired spins of extra electrons on phosphate groups with a single negative charge, in polar, zwitterionic headgroups such as phosphatidylcholine (PC). Classical control gates and circuits are embedded on the silicon wafer, as in proposals by Kane and others for solid state quantum computing devices. A proposal to extend these ideas to neuronal membranes, which makes use of the chirality of the phospholipid molecules that make up its bulk, is also briefly sketched. The chirality of the phospholipid molecules is argued, at least at low temperature, to induce Chern-Simons couplings, which may give rise to robust qubits in topological winding states, defined on the cylinder mod punctures-which are the ion channels.

研究动机与目标

• 探索利用天然与人工神经元膜作为量子信息处理平台的可行性。
• 研究磷脂膜是否可通过核自旋量子比特与电子自旋控制实现长寿命量子态。
• 提出神经元膜中手性磷脂排列可能诱导陈-西蒙斯耦合，从而实现拓扑量子比特。
• 评估膜通道中的拓扑缠结态是否对热噪声具有鲁棒性，从而提供受保护的量子子系统。
• 为生物膜中的量子生物学奠定概念基础，尤其聚焦于轴突。

提出的方法

• 采用混合架构，在硅片上沉积磷脂双分子层，利用磷酸根基团中的³¹P核自旋作为存储量子比特。
• 两性离子磷酸基团上的未成对电子自旋（如磷脂酰胆碱）作为控制量子比特，类比Kane的固态量子计算方案。
• 在硅片上蚀刻出经典控制门与纳米线电路，以操控电子波函数并介导核自旋之间的纠缠。
• 双分子层结构通过空间分离与核自旋屏蔽，为量子信息提供拓扑保护。
• 提出磷脂分子的手性可在电磁作用中产生有效陈-西蒙斯项，进而在带穿孔的圆柱面（离子通道）上形成拓扑缠结态。
• 该模型采用修正的麦克斯韦方程，引入与$b_0$成正比的拓扑耦合项，表明横向电磁场可诱导或测量拓扑量子比特态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在硅片上的磷脂膜是否能利用³¹P核自旋与电子自旋实现稳定可控的量子比特？
• RQ2 神经元膜的手性结构是否可通过陈-西蒙斯耦合诱导拓扑量子态？
• RQ3 由此产生的拓扑缠结态是否足够与热噪声解耦，从而在生理温度下保持亚稳态？
• RQ4 轴突中离子通道的动力学是否可作为拓扑保护量子比特的探测或控制机制？
• RQ5 膜中是否存在一个受保护的量子子系统，可用于抗噪声的量子信息处理？

主要发现

• ³¹P核自旋在磷脂头部基团中被提议作为可行的记忆量子比特，因其具有长相干时间且与环境耦合微弱。
• 两性离子磷酸基团上的未成对电子自旋可作为控制量子比特，通过电子波函数重叠实现纠缠与门操作。
• 双分子层结构可通过屏蔽核自旋免受环境退相干，从而保护量子信息。
• 磷脂分子的手性可能诱导有效陈-西蒙斯耦合，进而在圆柱面带穿孔（离子通道）上形成拓扑缠结态。
• 粗略估算表明，拓扑态的能量间隙可能高于室温，暗示其在信号传播时间尺度上具有亚稳态特性。
• 该模型表明，神经元动作电位可能通过离子流产生的横向电磁场扰动或测量拓扑量子比特。