在探索人类大脑功能和意识的奥秘中，一项跨学科的新研究为我们提供了一个可能的全新视角。理学院物理系定量生命科学硕士生刘泽飞在导师陈永聪教授指导下，首次提出大脑中的神经髓鞘可以产生量子纠缠的光子对，这一发现可能为理解大脑神经活动的同步机制提供了新的线索。该研究成果由上海大学理学院和四川大学生物工程学院合作完成，成果近日在《物理评论E》杂志上发表。其第一时间受到美国科普网站Newscientist.com 关注，物理学科记者Dr. Karmela Padavic-Callaghan在文章发表前夜采访作者并做了新闻报道，国内抖音和今日头条等也跟进相关报道。
大脑内不同脑区间神经同步是多种神经生物学活动的基础也与诸多脑疾病如帕金森病和阿尔茨海默症相关，然而支持这种同步活动的物理机制仍不清楚。包裹在轴突外侧的脂肪分子层的髓鞘可以作为谐振腔限制神经元中产生的光子形成极化子从而增强神经电传导。除了为轴突提供能量，增强动作电位的传导，还在神经系统中充当绝缘体，这项研究提出了髓鞘可能具有的另一项功能——作为量子纠缠光子对的生成源。
研究首先建立了髓鞘包裹下轴突的明确圆柱结构模型，并讨论了圆柱形腔内电磁场的量子化。在红外区域和偶极近似下，双光子过程主要由偶极相互作用下的级联辐射主导。通过精确计算和Schmidt分解，研究团队评估了双光子系统中量子纠缠的程度，并利用实验中得到的有髓神经结构的实际数据，展示了在神经系统中生成量子纠缠的潜力。大脑中一旦产生纠缠光子，纠缠特性就会传递到神经元的其他部分，比如在神经冲动中发挥重要作用的离子通道蛋白。这项研究揭示，神经髓鞘中的C-H键振动单元可以作为量子纠缠资源，这可能为大脑利用这些资源进行量子信息传输提供了新的机制，进而解释了神经元同步活动的潜在来源。随着量子科学与神经科学的交叉融合，我们期待着未来在认知科学和脑疾病治疗方面取得更多革命性的进展。
本工作得到国家自然科学基金项目支持。
论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.110.024402
报道链接：https://www.newscientist.com/article/2441936-nerve-fibres-in-the-brain-could-generate-quantum-entanglement/
