发表在昨天的《自然·物理》上的一篇重要论文中，一个由中外数学学家组成的科研团队报告说，通过研究“分形网路中的量子传输，”“从而为理解由分形支配的更复杂的量子现象开辟了公路”，其中包括为通过量子化学学来理解人的意识现象开辟了公路。
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该研究论文成果由图灵量子创始人、上海交通学院集成量子信息技术研究中心所长金贤敏院士团队与知名女理论化学学家、克里斯蒂安·德·莫莱斯·史密斯（deSmith）合作完成。
国外许多人可能晓得金贤敏，而对史密斯许多人就不认识。在介绍这一研究成果前，先简单介绍一下史密斯，她是乌得勒支学院理论化学研究所院士，汇聚态化学系院长、领导一个研究汇聚态化学、冷原子和强相关系统的研究团队。2019年，“由于她在汇聚态系统和超冷原子理论方面作出了杰出贡献，以阐明物质的新量子态最先推测黑洞存在温度的物理学家，”欧洲数学学会授予她以艾米·诺特奖，该奖项以知名的''代数女皇''与理论化学学家艾米·诺特命名，”她发表有100多篇学术论文，其中多篇论文被公觉得“编辑推荐”和“科学亮点”，论文被引用3千多次。同时是法国数学学刊物B的编辑，该刊物专注于汇聚态物质和复杂系统。2014年中国国家外国专家局授予她“高端外国专家”教授职位。
该研究论文题为：“分形网路中的量子传输”。基于这一论文研究成果，史密斯明天在日本知名新闻刊物《》（对话）发表文章，题为：“量子化学学可以解释意识吗？我的研究使我们离发觉更近了一步”。
我们许多人都晓得，我们的意识是怎么完善的这一问题，是科学上始终难于无从下手的疑团。一些科学家觉得意识是由量子过程形成的，但该理论仍未经过实证检验。
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1990年代，在因对黑洞的预测而获得2020年诺贝尔化学学奖之前，化学学家彭罗斯与麻醉学家哈默罗夫合作提出了一个雄心勃勃的答案。她们提出，脑部的神经元系统产生了一个复杂的网路，由此形成的意识应当遵循量子热学的规则，这个理论定义了像电子这样的微小粒子怎样在脑部联通，这可以解释人类意识的神秘复杂性。
这些理论受到了怀疑。量子热学定理一般只适用于特别低的气温。诸如，量子计算机目前是在零下272°C左右运行的。在更高的气温下，精典热学起到作用。因为我们的身体是在温度下工作，所以可能会期望它受精典化学定理的支配。出于这个缘由，量子意识理论被许多科学家彻底驳回——尽管也有其他人相信、支持。
因此史密斯决定与南京交通学院金贤敏院士领导的团队联手，测试支撑量子意识理论的一些原则。该新论文研究了量子粒子怎样在像脑部这样的复杂结构中联通——但在实验室环境中。史密斯表示说，“如果有三天我们的发觉可以与脑部中检测的活动进行比较，我们可能更接近验证或驳回彭罗斯和哈默洛夫有争议的理论。”
中国科技学院生物化学与神经学家张效初团队在明年1月20日发表于《自然-人类行为》期刊的研究中，通过脑成像结果表明部份脑区可能与这些“与量子相像”的思维进程相关，“这是首个在神经学层面支持量子认知的研究。”该新研究成果使科学家离发觉量子认知的奥秘又进了一步。
脑部和分形
我们的脑部由称为神经元的细胞组成，它们的综合活动被觉得会形成意识。每位神经元都富含微管，可将物质输送到细胞的不同部位。彭罗斯量子意识理论觉得，微管以分形模式建立，这促使量子过程发生。
分形是既不是二维也不是三维的结构，而是介于二者之间的一些分数值。在物理中，分形以美丽的纹样出现，无限重复，形成看似不可能的东西：面积有限但边长无限的结构。
这听上去可能难以想像，但分形实际上在自然界中到处发生，我们许多人对分形并不陌生。假如仔细观察莴苣的小花或豆科动物的树枝，会发觉它们都由相同的基本形状组成，它们一遍又一遍地重复自身，但规模越来越小，这是分形的一个关键特点。（参见：《科学》封面文章：科学家破解了罗马花菜“分形”背后的物理原理）
假如瞧瞧我们自己身体内部也会发生同样的情况：比如最先推测黑洞存在温度的物理学家，肺结构是分形的，循环系统中的血管是分形的。分形也出现在诱人的艺术作品中，并且早已在技术中使用了几六年，比如在天线设计中。那些都是精典分形的事例——遵循精典数学学而不是量子化学学定理的分形。
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史密斯表示说，“很容易理解为何分形被拿来解释人类意识的复杂性，由于它们无限复杂，容许从简单重复的模式中出现复杂性，它们可能是我们思想神秘深处的结构支撑。但若果是这些情况，它只能发生在量子水平上，微小粒子在脑部神经元内以分形模式联通。这就是为何彭罗斯和哈默洛夫的提议被称为量子意识理论。”
意识和量子分形
史密斯说，“我们还不能检测脑部中量子分形的行为——如果它们存在的话。而且先进的技术意味着我们如今可以在实验室中检测量子分形。在近来涉及扫描隧洞显微镜的研究中，我和我在乌得勒支的朋友们当心翼翼地将电子排列成分形纹样，进而创造出一个量子分形。
当我们检测电子的波函数（描述它们的量子态）时，我们发觉它们也生活在由我们制做的数学模式决定的分形维数上。在这些情况下，我们在量子尺度上使用的模式是谢尔宾斯基三角形，它是一种介于一维和二维之间的形状。”
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这是一个令人激动的发觉，但扫描隧洞显微镜技术难以侦测量子粒子怎样运动，科学家须要更多关于量子过程怎样在脑部中发生的信息。所以在该最新的研究中，史密斯和重庆交通学院团队合作更进了一步，使用最先进的光子学实验，便于才能先前所未有的细节阐明分形内发生的量子运动。
研究人员通过将光子注入人工芯片来实现这一目标，该芯片悉心设计成一个微小的谢尔宾斯基三角形。研究人员在三角形的尖端注入光子，并观察它们怎样在称为量子传输的过程中在其分形结构中传播。之后在两种不同的分形结构上重复了这个实验，它们的形状都是正圆形而不是三角形。在这种结构中的每一个中，都进行了数百次实验。
重复的圆形分形
研究人员还对称为“谢尔宾斯基地毯”的圆形分形进行了实验。从这种实验中观察到的结果表明，量子分形实际上与精典分形表现不同。具体来说，发觉与精典情况相比，在量子情况下，分形上的光传播受不同定理的支配。
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史密斯表示，“这种关于量子分形的新知识可以为科学家们提供实验测试量子意识理论的基础。假如有三天从人脑中进行量子检测，可以将它们与我们的结果进行比较，以确定意识是精典现象还是量子现象。”
“我们的工作也可能对整个科学领域形成深远的影响。通过研究我们人工设计的分形结构中的量子传输，我们可能早已迈出了统一数学学、数学和生物学的第一步，这将极大地丰富我们对周围世界以及存在于我们脑海中的世界的理解。”
分形令人着迷，除了由于它们的美感，还由于它容许研究非整数维度的数学特点。在那些特别规系统中，许多内在特点可能会发挥作用，包括分形维数和分形几何。虽然有大量的理论研究，但分形网路中的实验一直未能飘忽。
该研究通过在分形光子晶格中执行连续时间量子穿行实验性地研究分形网路中的量子传输。通过光子演变模式、均方位移和波利亚数阐明了传输特点。与精典分形相反，观察到仅由分形维数控制的异常传输。据悉，从正常传输过渡到异常传输的临界点取决于分形几何。该研究实验容许以定量的方法验证数学定理，并特别详尽地阐明传输动力学，因而为理解由分形支配的更复杂的量子现象开辟了公路。