曾經被認為對量子效應來說過於混亂的生物系統，可能正在悄悄地利用量子力學來比任何人造的東西更快地處理資訊。

新的研究表明，這不僅發生在大腦中，而且發生在所有生命中，包括細菌和植物。

薛定諤的遺產激發了量子飛躍

80多年前，理論物理學家埃爾文·薛定諤（Erwin Schrödinger）在都柏林三一學院發表了一系列有影響力的公開演講。這些談話取材於現代物理學和哲學傳統，如叔本華和奧義書，後來在1944年出版，書名為《什麼是生命？》

現在，在2025年國際量子科學與技術年期間，菲力浦·庫里安 —— 華盛頓特區霍華德大學量子生物學實驗室（QBL）的理論物理學家和創始主任 —— 已經建立了薛定諤的基本思想。

利用量子力學原理和最近的QBL發現，顯示了細胞骨架細絲的量子光學特性，庫里安提出了一個從根本上更新的地球歷史上碳基生命的總信息處理能力上限。他發表在《科學進展》雜誌上的研究結果也表明，這種生物極限與可觀測宇宙中所有物質的計算極限之間可能存在聯繫。

庫里安說：“這項工作將20世紀物理學的偉大支柱 —— 熱力學、相對論和量子力學 —— 連接在一起，為整個生物科學的重大範式轉變提供了線索，研究了在環境溫度下濕軟體中量子信息處理的可行性和意義。”“物理學家和宇宙學家應該努力應對這些發現，特別是當他們考慮地球上和可居住宇宙中其他地方的生命起源時，它們與電磁場一起進化。”

生命系統的量子挑戰

量子力學的效應 —— 許多科學家認為只適用於小尺度的物理定律 —— 對干擾很敏感。這就是為什麼量子計算機必須保持在比外太空更冷的溫度下，而且只有原子和分子這樣的小物體才會表現出量子特性。按照量子標準，生物系統是相當惡劣的環境：它們溫暖而混亂，甚至它們的基本組成部分 —— 比如細胞 —— 也被認為很大。

但庫里安的研究小組去年在水溶液中的蛋白質聚合物中發現了一種明顯的量子效應，這種效應在這些具有挑戰性的微米尺度條件下仍然存在，並且可能為大腦保護自己免受阿爾茨海默氏症和相關失智症等退行性疾病的侵害提供了一種方法。他們的研究結果為量子計算研究人員提供了新的應用和平臺，並代表了一種思考生命與量子力學之間關係的新方式。

在他的《科學進展》論文中，庫里安只考慮了三個重要的假設：標準量子力學、由光設定的相對論速度限制，以及物質主導的宇宙處於臨界品質-能量密度。艾克斯-馬賽大學和法國國家科學研究中心理論物理中心（法國）的Marco Pettini教授說：“結合這些相當無害的前提，在熱平衡中普遍存在的生物結構中對單光子超輻射的顯著實驗證實，為量子光學、量子信息理論、凝聚態物理、宇宙學和生物物理學開闢了許多新的研究方向。”他與這項工作無關。

光速下的量子信號

實現這些非凡特性的關鍵分子是色氨酸，這是一種在許多蛋白質中發現的氨基酸，它吸收紫外線並以更長的波長重新發射。色氨酸的大網路形成於微管、澱粉樣原纖維、跨膜受體、病毒衣殼、纖毛、中心粒、神經元和其他細胞複合體中。QBL對細胞骨架細絲中量子超輻射的證實具有深遠的意義，即所有真核生物都可以使用這些量子信號來處理資訊。

為了分解食物，進行有氧呼吸的細胞利用氧氣併產生自由基，自由基會釋放出具有破壞性的高能紫外線粒子。色氨酸可以吸收這種紫外線，並以較低的能量重新發射。而且，正如QBL研究發現的那樣，由於強大的量子效應，非常大的色氨酸網路可以更有效、更穩定地做到這一點。

生物化學信號的標準模型涉及離子在細胞或膜上移動，在電化學過程中產生峰值，每個信號需要幾毫秒。但神經科學和其他生物學研究人員直到最近才意識到，這並不是事情的全部。這些細胞骨架細絲的超發光大約發生在一皮秒 —— 百萬分之一微秒。它們的色氨酸網路可以像量子光纖一樣發揮作用，使真核細胞處理資訊的速度比單獨的化學過程快數十億倍。

洛桑聯邦理工學院（瑞士）和Elettra Sincrotrone Trieste（義大利）的Majed Chergui教授表示：“庫里安的見解的影響是驚人的。”他們支援2024年的實驗研究。“量子生物學，特別是我們在他的理論指導下對標準蛋白質光譜方法的超輻射特徵的觀察，有可能為從光物理學的角度理解生命系統的進化開闢新的前景。”

神經生命的力量

由於認為生物信息處理主要是在神經元層面進行的，許多科學家忽略了一個事實，即神經生物 —— 包括細菌、真菌和植物，它們構成了地球生物量的主體 —— 也在進行複雜的計算。由於這些生物在地球上存在的時間比動物長得多，它們構成了地球碳基計算的絕大部分。

“在星際介質和行星際小行星上有類似量子發射器的特徵，這可能是真核生物計算優勢的前兆，”亞利桑那大學行星科學和宇宙化學教授、亞利桑那天體生物學中心主任丹特·勞雷塔（Dante Lauretta）說，他沒有參與這項工作。庫里安的預測提供了定量的界限，超越了通俗的德雷克方程，關於超輻射生命系統如何增強行星計算能力。這種信號和信息處理方式的顯著特性可能會改變可居住系外行星研究的遊戲規則。”

生物學與量子技術相遇

這一最新分析同樣引起了量子計算研究人員的注意，因為脆弱的量子效應在“嘈雜”環境中的生存對那些希望使量子資訊技術更具彈性的人非常感興趣。庫里安與幾位量子計算研究人員進行了交談，他們對在生物科學中發現這種聯繫感到驚訝。

“這些新的性能比較將引起開放量子系統和量子技術的大量研究人員的興趣，”瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）的Nicolò defu教授說，他是一位與這項工作無關的量子研究人員。“看到量子技術和生命系統之間日益重要的聯繫真的很有趣。”

在《科學進展》的文章中，庫里安解釋並重新審視了基礎量子特性和熱力學考慮，從一長串物理學家那裡，他們明確了物理學和資訊之間的本質聯繫。隨著他的團隊在生物纖維中發現了紫外線激發的量子比特，地球上幾乎所有的生命都具有以可控的量子自由度進行計算的物理能力，允許以糾錯周期遠遠超過最新的基於晶格的表面編碼來存儲和操作量子資訊。“這一切都在熱湯里！”量子計算界應該認真關注，”庫里安說。

這項工作還引起了量子物理學家賽斯·勞埃德（Seth Lloyd）的注意，他是麻省理工學院（MIT）的機械工程學教授，也是量子計算和宇宙計算能力研究的先驅。“我讚賞庫里安博士大膽而富有想像力的努力，他將計算的基礎物理學應用於地球上生命系統在生命過程中所進行的信息處理總量。提醒我們生命系統的計算能力要比人工系統強大得多，這是件好事。”

生命在宇宙大設計中的位置

庫里安說：“在人工智慧和量子計算機時代，重要的是要記住，物理定律限制了它們的所有行為。”然而，儘管這些嚴格的物理限制也適用於生命追蹤、觀察、瞭解和類比宇宙部分的能力，但隨著宇宙故事的展開，我們仍然可以探索並理解其中的輝煌秩序。我們能扮演這樣一個角色真是令人敬畏。”