[论文解读] On the Theoretical Possibility of Quantum Visual Information Transfer to the Human Brain

Vahid Salari, Mohammad Rahnama+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2008

Quantum Mechanics and Applications参考文献 54被引用 5

一句话总结

本文探讨了通过整合眼睛中的量子测量、神经微管中的量子相干性以及波函数坍缩的多阶段机制，将视觉量子信息传递至人类大脑的理论可行性。它提出，尽管存在退相干，但通过结合Penrose-Hameroff的量子处理与Thaheld的眼部坍缩模型，仍可保留光子的量子信息，从而为量子视觉感知提供一条理论路径。

ABSTRACT

The feasibility of wave function collapse in the human brain has been the subject of vigorous scientific debates since the advent of quantum theory. Scientists like Von Neumann, London, Bauer and Wigner (initially) believed that wave function collapse occurs in the brain or is caused by the mind of the observer. It is a legitimate question to ask how human brain can receive subtle external visual quantum information intact when it must pass through very noisy and complex pathways from the eye to the brain? There are several approaches to investigate information processing in the brain, each of which presents a different set of conclusions. Penrose and Hameroff have hypothesized that there is quantum information processing inside the human brain whose material substrate involves microtubules and consciousness is the result of a collective wavefunction collapse occurring in these structures. Conversely, Tegmark stated that owing to thermal decoherence there cannot be any quantum processing in neurons of the brain and processing in the brain must be classical for cognitive processes. However, Rosa and Faber presented an argument for a middle way which shows that none of the previous authors are completely right and despite the presence of decoherence, it is still possible to consider the brain to be a quantum system. Additionally, Thaheld, has concluded that quantum states of photons do collapse in the human eye and there is no possibility for collapse of visual quantum states in the brain and thus there is no possibility for the quantum state reduction in the brain. In this paper we conclude that if we accept the main essence of the above approaches taken together, each of them can provide a different part of a teleportation mechanism.

研究动机与目标

• 探究尽管存在嘈杂的神经通路，来自光子的视觉量子信息是否能完整传递至人类大脑。
• 调和关于大脑中量子处理的相互矛盾理论，包括Penrose-Hameroff的微管坍缩理论与Tegmark的退相干论点。
• 检验Thaheld提出的波函数在眼睛中坍缩是否能与大脑中的量子处理共存。
• 提出一个统一的理论框架，使不同量子大脑假说能够互补地构成完整的量子信息传递机制。
• 评估量子相干性是否能在神经结构中持续足够长的时间以支持对量子视觉状态的意识感知。

提出的方法

• 分析现有关于人类眼睛中量子测量的模型，特别是Thaheld关于光子态在视网膜中坍缩的结论。
• 整合Penrose与Hameroff关于微管中量子计算作为波函数坍缩基底的假说。
• 评估Tegmark的论点，即热退相干会阻止神经元中的量子处理，使用Rosa与Faber的折中方法作为反驳。
• 提出一种混合机制：量子信息首先在眼睛中坍缩，随后通过非经典路径在微管中重新相干或处理。
• 利用量子退相干理论与波函数动力学，对量子态通过神经通路的持续性进行建模。
• 应用量子信息理论的原则，评估从视网膜到皮层无相干性损失地传递视觉量子态的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自光子的视觉量子信息是否能通过从视网膜到视觉皮层的过渡被保留？
• RQ2 在眼睛中发生波函数坍缩的同时，大脑中是否仍可能维持量子相干性？
• RQ3 Penrose-Hameroff的基于微管的量子处理模型如何与Tegmark的退相干论点共存？
• RQ4 眼睛在初始测量视觉量子态中扮演什么角色，这对后续大脑水平的处理有何影响？
• RQ5 能否构建一个统一机制，整合多个量子大脑假说的优势，以实现量子视觉感知？

主要发现

• 本文结论认为，尽管根据Thaheld的观点波函数在人类眼睛中坍缩，但这并不排除大脑中后续的量子处理。
• 它主张，尽管存在热退相干，基于Rosa与Faber的折中模型，神经元中的微管仍可能维持足够长的量子相干性以支持认知处理。
• 作者提出，视觉量子信息可通过两阶段过程传递：视网膜中的初始坍缩，随后在微管中重新相干或处理。
• 理论建模表明，如果相干性在特定生物结构中得以维持，光子的量子信息可在神经通路中被保留。
• 本文发现，没有任何一个现有理论能完全解释量子视觉传递，但将眼部坍缩与微管处理相结合的综合模型提供了一个可行的理论框架。
• 结果支持这样一种观点：如果量子态在视网膜初始测量后能在神经微管中稳定下来，量子视觉感知在理论上是可能的。