髓鞘中纠缠双光子的产生

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摘要：大脑内的意识取决于数百万神经元的同步活动，但负责协调这种同步的机制仍然难以捉摸。
在这项研究中，我们采用空腔量子电动力学来探索通过脂质分子尾部内CH键振动光谱中的级联发射产生纠缠双光子。
结果表明，髓鞘形成的圆柱形空腔可以促进振动模式的自发光子发射，并产生大量纠缠光子对。
因此，神经元中丰富的CH键振动单元可以作为神经系统量子纠缠资源的来源。
这些发现可能有助于深入了解大脑利用这些资源进行量子信息传输的能力，从而阐明神经元同步活动的潜在来源。

简介：了解人类大脑及其功能的复杂性一直是一个有趣且具有挑战性的难题。
大脑皮层内神经元的同步是多种神经生物学过程的基础[1]，与脑功能异常和脑疾病密切相关[2]。
值得注意的是，帕金森病表现为神经元受损区域的神经活动同步丧失[3]。
尽管有这些观察结果，支撑神经活动精确同步的机制仍然未知[4]，需要跨学科研究，特别是在神经科学和量子物理学领域。

近几十年来，量子计算利用量子纠缠的独特特征，取得了巨大的成功[5]。
验证量子纠缠中非局域相关性的实验 [6] 使量子计算在 Shor [7] 和 Grover [8] 算法等任务中超越了经典计算。量子计算在神经科学中的适用性最初由 Hameroff 和 Penrose 提出，他们提出了微管在大脑中量子计算中的作用 [4]，并由 Fisher 等人进一步探索，他提出核自旋作为介质 [9]。
尽管实验与这些模型的预测存在偏差[10,11]，量子纠缠固有的非局域相关性仍然令人着迷。

最近的研究强调了光子作为量子物体不仅在植物和细菌中而且在动物生命活动中的作用[12]。
例子包括驱动 DNA 复制的 ATP 水解产生的中红外 (MIR) 光子 [13] 以及由可见光形成的极化激元，这些极化激元与叶绿素分子的激子相干和共振耦合叶绿体促进光合作用中的有效能量转移[14]。生物体中的超弱光子发射传统上被认为是代谢副产品，现在与神经元功能有关[15]。

此外，53.7 THz 的 MIR 光子可调节 Kion 通道活动、神经元信号传导和感觉运动行为 [16]。
神经元中三羧酸循环过程中释放的光子与脂质分子中的 CH 键振动子共振耦合，可能改变膜的介电常数，从而增强动作电位传导 [17]。
这些发现虽然每一项都可能需要进一步审查，但为光在神经活动中的重要性提供了另一种视角。

髓鞘是包裹神经元轴突外侧的脂质膜，为轴突提供能量，增强动作电位传导，并充当神经系统中的绝缘体[18]。
髓磷脂功能异常或髓磷脂结构损伤与多发性硬化症和阿尔茨海默病等神经退行性疾病密切相关[19]。髓鞘通常仅被视为绝缘体。
然而，新出现的证据表明髓磷脂具有可塑性，表明它的作用超出了绝缘范围，并且具有促进神经相位同步的潜力[20]。

这项研究表明，在髓磷脂鞘包裹形成的圆柱形空腔内，脂质分子尾部CH键的振动光谱可以通过从第二激发态到基态的级联辐射产生量子纠缠光子对。
在秒。其次，我们在髓鞘下建立了轴突明确的圆柱形结构，并讨论了圆柱形腔内电磁场的量子化。
我们表明，在红外区域内和偶极近似下，振动光谱中的双光子过程主要受秒中偶极相互作用的级联辐射控制。三．
利用施密特分析，我们评估了双光子系统中量子纠缠的程度，并利用实验中有髓神经元的真实结构数据举例说明了在神经系统中产生量子纠缠的潜力，四．利用量子纠缠的非局域相关特性，人们可以推测量子纠缠将有效地同步整个大脑的神经元活动，从而揭示意识中的同步难题。

五 结论：

综上所述，腔量子电流体动力学和量子光学的级联光子发射过程的结果表明，量子纠缠中的双光子可以通过神经髓磷脂包裹的圆柱形腔内脂质分子尾部CH键振动光谱上的级联辐射释放出来。
由于髓鞘形成的空腔结构而存在离散电磁模式，与自由空间连续电磁模式不同，导致髓磷脂空腔内允许频繁产生高度纠缠的光子对。
值得注意的是，由于微腔的存在，与自由空间中的耦合相比，耦合可以显着增强，这表明发射光子的可能性更高。应该指出的是，我们的模型非常粗糙。
实际的电磁场应考虑光子与振动子系综（即极化子）的耦合，这应在未来的研究中考虑。

如图5（b）所示，当髓鞘厚度在0.8-1.1μm范围内时，缠结程度相对较高。
取轴突半径为2μm，对应的内半径与外半径之比为0.65-0.72，接近文献值0.6-0.8[24,37]。当髓磷脂厚度降低到超过该比率时，缠结会迅速减少。
临床结果表明，髓磷脂随着年龄的增长而变薄，神经退行性疾病的可能性增加[38,39]。这些观察结果可能强调这两种现象之间的进一步关系。

最后，由于此类研究的性质，我们可能会在现阶段删除一些猜测。实验表明，53.53 THz 的中红外光能量对 Kion 通道的活动具有调节作用。
此外，活性很强并且与光子数量不成正比[16]。一种解释是离子通道中的八个C=O键可能处于最大超辐射的临界状态。
这种状态具有三个激发的 C=O 键的能量，其值大致等于单个 CH 键释放的光子能量。当能量尺度匹配时，光子的纠缠可以传递到离子通道，即

通过级联辐射发射的纠缠光子对可以通过纠缠将不同位置的 Kion 通道连接起来。当一个通道被神经元激活时，它会通过量子测量影响其他通道的状态，从而在它们之间产生可能的非局部相关性。

髓鞘内的极化子涉及大量电子振动状态[17]。因此，热波动对极化子（即光子）状态的影响可以忽略不计。
近年来，类似的系统（例如冷原子系综[40]）被用作量子存储器，可以保护光子之间的量子纠缠。
当每个神经元中产生的局部纠缠可以通过纠缠交换传播到更大的区域时[6]，大脑中的神经元变得进一步相关。
通过这种方式，纠缠可以在神经髓鞘内传播，充当神经系统中的量子通信资源。它可能提供一种超距离同步机制。