研究人员希望探究意识是否具有量子力学现象的基础。大脑只是浩瀚宇宙中的一件“家具”，与小行星、电子或光子遵循相同的物理定律。表面上看，其约1.4公斤的神经组织似乎与作为所有物理系统基础的标准理论——量子力学——关系不大，因为量子效应在微观尺度上最为显著。然而，新提出的实验有望弥合微观与宏观系统（如大脑）之间的鸿沟，为意识之谜提供答案。
量子力学解释了一系列无法用日常经验形成的直觉来理解的现象。回想一下薛定谔的猫思想实验，猫处于一种既死又活的叠加态。在我们的日常生活中似乎不存在这种不确定性——猫要么死要么活。但量子力学方程告诉我们，世界在任何时刻都由许多这样共存的状态组成，这一矛盾长期困扰着物理学家。
1989年，宇宙学家罗杰·彭罗斯大胆提出，每当一个叠加的量子态坍缩时，就会产生一个意识瞬间。两个基本的科学谜团——意识的起源和量子力学中所谓波函数的坍缩——是相互关联的这一想法，引发了巨大的兴奋。
彭罗斯的理论与其局限
彭罗斯的理论可以根植于量子计算的复杂性。考虑一个量子比特，即量子信息论中的信息单位，它处于逻辑0和逻辑1的叠加态。根据彭罗斯的说法，当这个系统坍缩成0或1时，会创造出一丝意识体验，由一个经典比特来描述。
彭罗斯与麻醉学家Stuart Hameroff合作提出，这种坍缩发生在微管中——构成细胞骨架一部分的管状细长结构蛋白，例如构成中枢神经系统的那些细胞。
这些想法从未被科学界广泛接受，因为大脑是潮湿和温暖的，不利于叠加态的形成——至少与现有量子计算机为避免破坏叠加态而在比室温低一万倍的温度下运行相比是如此。
当应用于两个或多个纠缠量子比特时，彭罗斯的提议存在一个缺陷。测量这些纠缠量子比特中的一个会瞬间揭示另一个的状态，无论它们相距多远。它们的状态是关联的，但关联不是因果，根据标准量子力学，纠缠不能用于实现超光速通信。然而，根据彭罗斯的提议，参与纠缠态的量子比特共享一个意识体验。当其中一个呈现确定状态时，我们可以用它来建立一个能够以超光速传输信息的通信通道，这违反了狭义相对论。
反向假说与多世界解释
在我们看来，数百个（如果不是数千或更多）量子比特的纠缠对于充分描述任何一个主观体验的现象丰富性是必不可少的：构成生命感受本身的颜色、运动、纹理、气味、声音、身体感觉、情绪、思想、记忆碎片等。
在一篇发表于开放获取期刊《熵》的文章中，我们和同事将彭罗斯假说颠倒过来，提出当一个系统进入量子叠加态而不是坍缩时，就会产生一种体验。根据我们的提议，任何进入具有一个或多个纠缠叠加量子比特状态的系统，都将经历一个意识瞬间。
敏锐的读者现在一定在对自己说：但是等等——我从来没有有意识地体验过叠加态。任何体验都有明确的特质；它是一种东西而不是另一种。我看到一种特定的红色，感到牙痛。我不同时体验红色和非红色、疼痛和非疼痛。
任何意识体验的确定性在量子力学的多世界解释中自然产生。这种形而上学立场由物理学家Hugh Everett于1957年首次提出，多世界观点认为时间的演化是一棵巨大分支的树，量子事件的每一个可能结果都会分裂出自己的宇宙。单个量子比特进入叠加态会产生两个宇宙，在一个宇宙中量子比特的状态是0，而在另一个孪生宇宙中，除了量子比特的状态是1之外，其他完全相同。
解决“绑定问题”与实验验证
纠缠可能为脑科学家提供其他东西，为所谓的绑定问题提供一个自然解决方案，即每个体验的主观统一性，这长期以来一直是意识研究的关键挑战。考虑看到自由女神像：她的脸、头上的皇冠、举起的右手里的火炬等等。所有这些区别和关系都被绑定到一个单一的感知中，其基质可能是众多相互纠缠的量子比特。
为了使这些深奥的想法具体化，我们提出了三个实验，这些实验将逐步塑造我们对这些问题的思考。
第一个实验（目前在Tiny Blue Dot基金会的资助下正在进行）旨在在两种非常容易获得的测试平台——小果蝇和脑类器官（后者是由人诱导多能干细胞培养的数千个神经元组成的扁豆大小的集合）——中寻找量子力学与神经科学相关性的证据。已知惰性稀有气体氙可以在动物和人类中充当麻醉剂。值得注意的是，早期的一项实验声称，其麻醉效力（以诱导不动所需的气体浓度衡量）取决于氙的特定同位素。一种元素的两种同位素在其原子核中含有相同数量的带正电质子，但不同数量的不带电中子。同位素的化学性质大致相似，即使它们的质量和磁性略有不同。
如果果蝇和类器官可用于检测不同的氙同位素，那么将寻找一种惰性的、不与蛋白质或其他分子结合的气体实现这一点的确切机制。是这些同位素质量的微小差异造成了差异？还是它们的核自旋（原子核的量子力学性质）？这些氙同位素在核自旋上有显著差异；有些自旋为零，其他为1/2或3/2。
这些氙实验将为第二个后续实验提供信息，在该实验中，我们将尝试以允许生物和人工量子比特之间纠缠扩散的方式，将量子比特与脑类器官耦合。
第三个实验（在此阶段仍然纯粹是概念性的）旨在通过以纠缠方式将工程化量子态与人脑耦合来增强意识。然后，人可能会体验到一种扩展的意识状态，类似于在死藤水或裸盖菇素影响下进入的状态。
量子工程和脑机接口的设计都在迅速发展。利用量子科学和技术直接探测和扩展我们的意识，可能并不超出人类的聪明才智。