一项惊人的发现表明，量子计算可能嵌入到生命的结构中，使生物体能够以令人难以置信的速度处理信息——即使在温暖潮湿的环境中也是如此。

        曾经被认为对量子效应来说过于混乱的生物系统，现在可能正在悄悄地利用量子力学来处理信息，速度比任何人为的任何东西都快。

        新的研究表明，这不仅发生在大脑中，而且发生在所有生命中，包括细菌和植物。

       薛定谔的遗产激发了巨大的飞跃

        80 多年前，理论物理学家 Erwin Schrödinger 在都柏林圣三一学院发表了一系列有影响力的公开讲座。这些讲座借鉴了现代物理学和叔本华和奥义书等哲学传统，后来于 1944 年以“什么是生命”为题出版。

       现在，在 2025 年国际量子科学与技术年期间，理论物理学家、华盛顿特区霍华德大学量子生物学实验室 （QBL） 的创始主任 Philip Kurian 以薛定谔的基本思想为基础。

       利用量子力学原理和最近显示细胞骨架丝中量子光学特性的 QBL 发现，Kurian 对地球历史上碳基生命的总信息处理能力提出了一个全新的上限。他的研究结果发表在《科学进展》（Science Advances）上，还表明这种生物极限与可观测宇宙中所有物质的计算界限之间可能存在联系。

       “这项工作将 20 世纪物理学的伟大支柱——热力学、相对论和量子力学——联系起来，以实现整个生物科学的重大范式转变，研究在环境温度下湿件中量子信息处理的可行性和影响，”Kurian 说。“物理学家和宇宙学家应该努力解决这些发现，尤其是当他们考虑地球和宜居宇宙中其他地方的生命起源时，这些生命起源与电磁场协同进化。”

如果仅考虑经典信息通道（如离子流和动作电位），无神经生物体和神经元的计算能力被大大低估了，它们的最大计算速度为 ∼103 ops/s。然而，最近通过荧光量子产率实验证实，细胞骨架聚合物中的大型量子发射器网络在室温下支持超辐射态，最大速度为 ∼1012 至 1013 ops/s，速度快了十亿多倍，并且与紫外光激发态的 Margolus-Levitin 极限相差两个数量级。这些量子发射器的蛋白质网络存在于无神经真核生物中，也存在于神经元轴突中稳定、有组织的束中。在《科学进展》（Science Advances）上的这篇独著研究文章中，对我们星球历史上所有超辐射生命可以进行的计算，与与这种生命有因果关系的整个物质主导的宇宙所能进行的计算进行了定量比较。对人造经典计算机和具有有效纠错功能的未来量子计算机所做的估计，促使人们重新评估生命、量子自由度计算和人工智能在宇宙中的作用。

         生命系统的量子挑战

            量子力学的影响——许多科学家认为仅适用于小尺度的物理定律——对干扰很敏感。这就是为什么量子计算机必须保持在比外太空更冷的温度下，并且只有原子和分子等小物体通常才会表现出量子特性。按照量子标准，生物系统是相当恶劣的环境：它们温暖而混乱，甚至它们的基本组成部分（如细胞）也被认为是大型的。

           但 Kurian 的小组去年在水溶液中的蛋白质聚合物中发现了明显的量子效应，它可以在这些具有挑战性的条件下以微米级存活下来，并且还可能为大脑提供一种保护自己免受阿尔茨海默氏症和相关痴呆症等退行性疾病侵害的方法。他们的结果为量子计算研究人员提出了新的应用和平台，他们代表了一种思考生命与量子力学之间关系的新方式。

          在他唯一的作者 Science Advances 论文中，Kurian 考虑了三个总体假设：标准量子力学、光设定的相对论速度限制，以及在临界质能密度下由物质主导的宇宙。艾克斯-马赛大学（Aix-Marseille University）和法国国家科学研究中心（CNRS）理论物理中心（法国）的马尔科·佩蒂尼（Marco Pettini）教授说：“结合这些相当无害的前提，在热平衡时无处不在的生物结构中单光子超辐射的非凡实验证实，为量子光学、量子信息论、凝聚态物理学、宇宙学和生物物理学开辟了许多新的研究方向，”艾克斯-马赛大学和法国国家科学研究中心理论物理中心（CNRS）的Marco Pettini教授说。

         光速的量子信号

        实现这些显着特性的关键分子是色氨酸，这是一种存在于许多蛋白质中的氨基酸，可以吸收紫外线并以更长的波长重新发射。色氨酸的大型网络在微管、淀粉样蛋白原纤维、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形成。QBL 对细胞骨架丝中量子超辐射的确认具有深远的影响，即所有真核生物都可以使用这些量子信号来处理信息.

        为了分解食物，进行有氧呼吸的细胞会消耗氧气并产生自由基，自由基会发出有害的高能紫外线粒子。色氨酸可以吸收这种紫外线并以较低的能量重新发射。而且，正如 QBL 研究发现的那样，由于其强大的量子效应，非常大的色氨酸网络可以更高效、更稳健地做到这一点。

       生化信号转导的标准模型涉及离子穿过细胞或膜，在电化学过程中产生尖峰，每个信号需要几毫秒。但神经科学和其他生物学研究人员直到最近才意识到，这并不是全部。这些细胞骨架丝中的超辐射发生在大约一皮秒——百万分之一微秒。他们的色氨酸网络可以充当量子光纤，使真核细胞处理信息的速度比单独的化学过程快数十亿倍。

       “Kurian 的见解的含义是惊人的，”支持这项 2024 年实验研究的洛桑联邦理工学院（瑞士）和 Elettra-Sincrotrone Trieste（意大利）的 Majed Chergui 教授说。“量子生物学——特别是我们在他的理论指导下从标准蛋白质光谱方法对超辐射特征的观察——有可能为从光物理学的角度理解生命系统的进化开辟新的视野。”

        Aneural Life 的力量

        许多科学家主要在神经元层面上考虑生物信息处理，忽略了这样一个事实，即无神经生物体（包括构成地球生物量大部分的细菌、真菌和植物）执行复杂的计算。由于这些生物在我们的星球上存在的时间比动物长得多，因此它们构成了地球碳基计算的绝大部分。

       “在星际介质和行星际小行星上都有类似量子发射器的特征，这可能是真核生命计算优势的前兆，”亚利桑那大学行星科学和宇宙化学教授、亚利桑那天体生物学中心主任但丁·劳雷塔说，他与这项工作无关。“Kurian 的预测提供了超越口语 Drake 方程的定量界限，即超辐射生命系统如何增强行星计算能力。这种信号和信息处理模式的显着特性可能会改变宜居系外行星研究的游戏规则。

       生物学与量子技术的结合

       这项最新的分析同样引起了量子计算研究人员的注意，因为那些希望使量子信息技术更具弹性的人对脆弱量子效应在“嘈杂”环境中的生存非常感兴趣。Kurian 与几位量子计算研究人员进行了交谈，他们惊讶地在生物科学中发现了这种联系。

       “这些新的性能比较将引起开放量子系统和量子技术领域的大量研究人员的兴趣，”瑞士苏黎世联邦理工学院 （ETH） 的量子研究员 Nicolò Defenu 教授说，他与这项工作无关。“看到量子技术和生命系统之间至关重要且不断增长的联系，这真的很有趣。”

       在《科学进展》的文章中，Kurian 解释并重新审视了基础量子特性和热力学考虑因素，这些理论来自一长串物理学家，他们阐明了物理学和信息之间的基本联系。随着他的团队在生物纤维中发现了紫外激发的量子比特，地球上几乎所有的生命都具有以可控量子自由度进行计算的物理能力，从而允许存储和纵量子信息，其纠错周期远远超过最新的基于晶格的表面代码。“而且这一切都在温汤里！量子计算世界应该认真对待，“Kurian 说。

这项工作还引起了量子物理学家塞斯·劳埃德 （Seth Lloyd） 的注意，他是麻省理工学院机械工程教授，也是研究量子计算和宇宙计算能力的先驱。“我赞赏 Kurian 博士大胆而富有想象力的努力，他将计算的基本物理学应用于地球生命过程中生命系统执行的信息处理总量。值得一提的是，生命系统执行的计算比人工系统执行的计算要强大得多，“Lloyd 说。

       生命在宇宙的宏伟设计中的位置

       “在人工智能和量子计算机的时代，重要的是要记住物理定律限制了它们的所有行为，”Kurian 说。“然而，尽管这些严格的物理限制也适用于生命追踪、观察、了解和模拟宇宙各部分的能力，但随着宇宙故事的展开，我们仍然可以探索和理解其中的辉煌秩序。我们能扮演这样的角色真是令人敬畏。