[论文解读] Quantum information in quantum cognition

Nicole Yunger Halpern, Elizabeth Crosson|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2017

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 4被引用 4

一句话总结

该论文提出，Posner分子中的磷核自旋可作为稳健的生物量子比特，实现认知过程中的量子信息处理。论文构建了基于Posner的量子计算框架，展示了量子误差纠正、非相干态 teleportation 以及纠缠对分子结合速率的影响，关键成果是高效制备了用于通用测量模型量子计算的资源态。

ABSTRACT

Matthew Fisher recently postulated a mechanism by which quantum phenomena could influence cognition: Phosphorus nuclear spins may resist decoherence for long times. The spins would serve as biological qubits. The qubits may resist decoherence longer when in Posner molecules. We imagine that Fisher postulates correctly. How adroitly could biological systems process quantum information (QI)? We establish a framework for answering. Additionally, we apply biological qubits in quantum error correction, quantum communication, and quantum computation. First, we posit how the QI encoded by the spins transforms as Posner molecules form. The transformation points to a natural computational basis for qubits in Posner molecules. From the basis, we construct a quantum code that detects arbitrary single-qubit errors. Each molecule encodes one qutrit. Shifting from information storage to computation, we define the model of Posner quantum computation. To illustrate the model's quantum-communication ability, we show how it can teleport information incoherently: A state's weights are teleported; the coherences are not. The dephasing results from the entangling operation's simulation of a coarse-grained Bell measurement. Whether Posner quantum computation is universal remains an open question. However, the model's operations can efficiently prepare a Posner state usable as a resource in universal measurement-based quantum computation. The state results from deforming the Affleck-Lieb-Kennedy-Tasaki (AKLT) state and is a projected entangled-pair state (PEPS). Finally, we show that entanglement can affect molecular-binding rates (by 0.6% in an example). This work opens the door for the QI-theoretic analysis of biological qubits and Posner molecules.

研究动机与目标

• 建立基于Posner分子中磷核自旋作为生物量子比特的量子信息处理理论框架。
• 研究编码在Posner分子中的量子信息在分子形成过程中的变换方式，以及其如何在退相干中得到保护。
• 设计一种利用编码在Posner分子中的三量子比特（qutrits）检测任意单量子比特错误的量子纠错码。
• 定义一种Posner量子计算模型，通过资源态制备实现量子通信和通用量子计算。
• 分析纠缠对分子结合速率的影响，在生化背景下量化其效应。

提出的方法

• 基于分子形成过程中自旋态的变换，提出Posner分子中量子比特的计算基。
• 构建一种量子码，利用编码在每个Posner分子中的三量子比特检测任意单量子比特错误。
• 定义Posner量子计算模型，明确模拟纠缠门和粗粒度贝尔测量的操作。
• 通过证明状态权重被传输而相干性因纠缠操作引起的退相而丢失，展示非相干量子 teleportation。
• 证明Posner态可通过将Affleck-Lieb-Kennedy-Tasaki（AKLT）态变形为投影纠缠对态（PEPS）而高效制备为通用测量模型量子计算的资源态。
• 使用模型体系分析纠缠对分子结合速率的影响，量化出结合概率变化达0.6%。

实验结果

研究问题

• RQ1 Posner分子中的磷核自旋能否作为生物系统中量子信息处理的稳定量子比特？
• RQ2 在Posner分子形成过程中，编码的量子信息如何变换？此类量子比特的自然计算基是什么？
• RQ3 能否为编码在Posner分子中的三量子比特构造一种量子纠错码，以保护其免受单量子比特错误的影响？
• RQ4 Posner量子计算能否实现通用量子计算？Posner态在其中作为资源态起什么作用？
• RQ5 Posner分子之间的纠缠在生化过程中在多大程度上影响其结合速率？

主要发现

• 构建了一种量子纠错码，利用编码在每个Posner分子中的三量子比特检测任意单量子比特错误。
• Posner量子计算模型实现了非相干量子 teleportation，即状态权重被转移，但因粗粒度贝尔测量引起的退相而失去相干性。
• 通过将AKLT态变形为投影纠缠对态（PEPS），可高效制备Posner态作为通用测量模型量子计算的资源态。
• 在特定示例中，Posner分子间的纠缠可导致分子结合速率变化达0.6%，表明量子纠缠在生化过程中具有可测量的特征。
• 该框架为生物量子比特和Posner分子的QI理论分析奠定了基础，将量子信息与认知过程联系起来。