物理学家重新审视生命的计算极限，以及量子计算时代薛定谔的关键问题
物理学家重新审视生命的计算极限，以及量子计算时代薛定谔的关键问题
在2025国际量子科学与技术年，理论物理学家、华盛顿霍华德大学量子生物学实验室（QBL）的创始主任菲利普·库里安，利用薛定谔提出的量子力学定律，以及QBL关于细胞骨架丝展现出量子光学特征的发现，大幅修正了地球整个历史中碳基生命计算能力的上限。
80多年前，深受叔本华哲学和《奥义书》影响的理论物理学家埃尔温·薛定谔在都柏林三一学院举办了一系列公开讲座，这些内容最终于1944年以《生命是什么？》为书名出版。
如今，在2025国际量子科学与技术年，理论物理学家、华盛顿霍华德大学量子生物学实验室（QBL）的创始主任菲利普·库里安，利用薛定谔提出的量子力学定律，以及QBL关于细胞骨架丝展现出量子光学特征的发现，大幅修正了地球整个历史中碳基生命计算能力的上限。库里安的这项最新研究成果于3月28日发表在《Science Advances》杂志上，推测了这种信息处理极限与可观测宇宙中所有物质的信息处理极限之间的关系。
库里安表示：“这项研究将20世纪物理学的几大支柱——热力学、相对论和量子力学联系起来，为生物科学领域带来重大范式转变，研究了在常温下生物硬件中量子信息处理的可行性及其意义。”他还提到，“物理学家和宇宙学家应该认真思考这些研究结果，尤其是在他们考虑地球以及宇宙中其他宜居星球上生命起源与电磁场共同演化的问题时。”
量子力学与超辐射
许多科学家认为量子力学的定律仅适用于微观尺度，其效应很容易受到干扰。这就是为什么量子计算机必须被冷却到比外太空更冷的温度，而且通常只有像原子和分子这样的微小物体才会表现出量子特性。
从量子标准来看，生物系统是相当“恶劣”的环境：它们温度较高且处于无序状态，甚至其基本组成部分（比如细胞）都被认为是宏观的。但库里安的团队去年在水溶液中的蛋白质聚合物中发现了一种明显的量子效应，这种效应能在微米尺度的严苛条件下存在，这一发现或许还为大脑抵御阿尔茨海默病及相关痴呆症提供了新的思路。他们的研究成果为量子计算研究人员提供了新的应用方向和平台，也代表了一种思考生命与量子力学关系的全新视角。
在库里安独立发表于《Science Advances》的论文中，他仅基于三个基本假设展开研究：标准量子力学、由光速设定的相对论速度极限，以及处于临界质能密度的物质主导宇宙。
未参与此项研究的法国艾克斯-马赛大学和法国国家科学研究中心理论物理中心的马尔科·佩蒂尼教授指出：“结合这些看似平常的前提，在热平衡状态下普遍存在的生物结构中，单光子超辐射得到了显著的实验证实，这为量子光学、量子信息论、凝聚态物理、宇宙学和生物物理学等领域开辟了许多新的研究方向。”
超越生化信号传导的量子信息处理
能够产生这些显著特性的关键分子是色氨酸，它是一种存在于多种蛋白质中的氨基酸，可以吸收紫外线，并以更长的波长重新发射出去。在微管、淀粉样纤维、跨膜受体、病毒衣壳、纤毛、中心粒、神经元和其他细胞复合物中，色氨酸会形成庞大的网络。
QBL对细胞骨架丝中量子超辐射的证实意义深远，这意味着所有真核生物都可以利用这些量子信号进行信息处理。细胞在有氧呼吸过程中分解食物时会消耗氧气并产生自由基，自由基能够释放具有破坏性的高能紫外线粒子。色氨酸可以吸收这些紫外线，并以较低的能量重新发射。而且，正如QBL的研究所发现的，由于强大的量子效应，非常庞大的色氨酸网络在这方面的表现更加高效和稳定。
传统的生化信号传导模型认为，离子在细胞或细胞膜间移动，在电化学过程中产生信号尖峰，每次信号传递大约需要几毫秒。但神经科学和其他生物学研究人员最近才意识到，事情并非这么简单。
这些细胞骨架丝中的超辐射过程大约在一皮秒内完成，即百万分之一微秒。其中的色氨酸网络或许就像量子光纤一样，使真核细胞处理信息的速度比单纯依靠化学过程快数十亿倍。 瑞士洛桑联邦理工学院以及意大利的里雅斯特同步辐射光源实验室的马杰德·谢尔吉教授对2024年的这项实验研究提供了支持，他评价道：“库里安的研究成果意义重大。量子生物学，尤其是在他的理论指导下，我们通过标准蛋白质光谱方法观测到的超辐射特征，有望从光物理学的角度为理解生命系统的演化开辟新的视野。”
无神经生命与行星计算能力
许多科学家主要从神经元层面来理解生物信息处理，却忽略了一个事实：包括细菌、真菌和植物在内的无神经生物构成了地球生物量的主体，它们也在进行着复杂的计算。而且，这些生物在地球上存在的时间比动物长得多，构成了地球碳基计算的绝大部分。
未参与此项研究的亚利桑那大学行星科学与宇宙化学教授、亚利桑那天体生物学中心主任但丁·劳雷塔表示：“在星际介质和行星际小行星上存在类似量子发射器的迹象，这些可能是真核生物计算优势的前身。库里安的预测为超辐射生命系统如何增强行星计算能力提供了量化界限，这超越了一般的德雷克方程。这种信号传导和信息处理方式的显著特性，可能会改变系外宜居行星研究的格局。”
与量子计算机的性能比较
这项最新分析也引起了量子计算领域研究人员的关注，对于那些致力于提高量子信息技术稳定性的研究者来说，脆弱的量子效应在含噪环境中的存续情况是他们极为感兴趣的课题。库里安与几位量子计算研究人员进行了交流，这些研究人员惊讶地发现生物科学领域竟存在这样的联系。
瑞士苏黎世联邦理工学院的量子研究员尼科洛·德费努教授并未参与此项研究，他指出：“这些新的性能对比将引起开放量子系统和量子技术领域广大研究人员的兴趣。量子技术与生命系统之间存在着重要且不断发展的联系，这真的很有趣。”
在《Science Advances》的文章中，库里安回顾并阐释了一系列基础量子特性和热力学问题，这些内容源于众多明确了物理学与信息之间重要联系的物理学家的研究。
随着他的团队在生物纤维中发现紫外线激发的量子比特，地球上几乎所有生命都具备利用可控量子自由度进行计算的物理能力，这使得生命系统在量子信息存储和处理方面，纠错能力远超最新的基于晶格的表面码。
库里安表示：“而这一切都发生在温暖的生物溶液环境中！量子计算领域真的应该予以重视。” 这项研究也引起了量子物理学家塞思·劳埃德的关注，他是麻省理工学院机械工程学教授，也是量子计算和宇宙计算能力研究的先驱。
劳埃德评价道：“我赞赏库里安博士大胆且富有想象力的研究，他将计算的基础物理学应用于研究地球上生命历程中生物系统的信息处理总量。我们应该认识到，生物系统的计算能力远比人工系统强大得多。”库里安表示：“在人工智能和量子计算机时代，必须牢记物理定律限制着它们的所有行为。尽管这些严格的物理限制同样适用于生命系统追踪、观测、认知和模拟宇宙部分区域的能力，但随着宇宙故事的不断展开，我们依然可以探索并理解其中精妙的秩序。我们能在其中发挥这样的作用，实在令人惊叹。”
参考链接
[1]https://phys.org/news/2025-03-physicist-revisits-limits-life-schrdinger.html
[2]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4623