论微管在可扩展量子计算中的潜力

我们研究了排列成细胞骨架微管原丝的微管蛋白异二聚体的量子相干特性。在作者提出的物理模型中，微管内部被视为高 Q 值量子电动力学（QED）腔，能够在生理条件下支持抗退相干的纠缠态，其退相干时间约为 $\mathcal{O}(10^{-6})$ 秒。我们将微管蛋白二聚体与微管内部有序水偶极量子之间的强电偶极相互作用，确定为导致相干时间延长的机制。描述孤子激发的经典非线性（赝自旋）$\sigma$ 模型被重新解释为涌现的量子相干态或指针态，它们源于偶极对齐量子态的不完全坍缩。这些孤子介导了沿微管丝的无耗散能量转移。我们讨论了由微管相关蛋白促成的类逻辑门行为，并概述了此类结构如何实现可扩展的室温量子计算，其中信息存储的基本单元被实现为编码在微管蛋白偶极态中的 quDit。我们进一步描述了一种类似于决策的过程，该过程在外部刺激后涌现，由此在微管网络中选择最优的无能量损耗的信号与信息传输路径。最后，我们提出了实验方法——包括 Rabi 劈裂光谱学和纠缠表面等离激元探针——以验证将生物物质用作可扩展量子计算基底的可行性。