CN103357112B - 基于量子纠缠传态的脊髓损伤神经信号中继系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于量子纠缠传态的脊髓损伤神经信号中继系统及方法，主要解决人体脊髓损伤不易修复的问题。其实现步骤是，将泵浦光打在偏硼酸钡晶体上，产生由第一光子（2）和第二光子（3）组成的纠缠光子对，并分别分发给脊髓损伤上断点J和脊髓损伤下断点K，对受损神经元细胞态|φ>₁和第一光子（2）进行贝尔态测量，得到贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂；将其中任意一个量子态传输给脊髓损伤的下断点k，再根据所传输的量子态，对第二光子（3）作幺正变换，得到完全修复受损的神经元细胞，实现对脊髓损伤神经信号的中继。本发明操作方便，安全性好，可用于对人体脊髓损伤神经信号的修复。

Description

基于量子纠缠传态的脊髓损伤神经信号中继系统及方法

技术领域

本发明属于人体神经信号传送技术领域，具体地说，是一种利用量子纠缠传态实现人体神经信号中继的方法。

背景技术

交通事故、运动创伤、机械撞击、高空跌落等原因可能导致人体脊髓损伤。由于脊髓损伤将会中断人体神经信号的传输通道，造成人体大多高位截瘫，丧失肢体感觉和生活自理能力，大小便失禁，终生肢体残疾，给患者本人、家庭和社会带来了巨大的精神痛苦和经济负担。

神经再生是一种治愈脊髓损伤患者的热点研究方法，目前医学领域主要通过药物治疗、外科手术和神经移植三种途径解决神经再生问题。但是，由于神经传导和结构的复杂性，神经再生的研究尚未取得突破性进展。脊髓损伤后，患者肢体功能的恢复问题仍然是世界医学难题，目前还没有有效的医治措施。据不完全统计，目前全世界大约有380万脊髓损伤患者，并且每年新增30万人左右。由于迄今尚无有效的医治方法和途径，患者不得不终生与轮椅为伴。

在我国，目前脊髓损伤患者约120余万，每年以大约6万例的速度增加；美国有近60万截瘫患者，每年新增加1万人。近年来，汽车数量剧增，各种交通事故频发，增加了脊髓损伤患者的数量。据美国《科学》杂志一篇期刊统计，美国每年在脊髓损伤患者的治疗和康复方面花费约50亿美元，全世界每年花费3000亿美元用于人体脊髓损伤患者的康复，因此研究一种高效、安全、彻底的脊髓损伤修复方法是迫在眉睫的。而从利用量子纠缠传态实现患者神经信号中继的角度，提出一种基于量子纠缠传态的人体脊髓损伤神经信号中继方法，可使神经信号传输通道重新建立、肢体功能得到恢复，为脊髓损伤患者带来康复的希望。

发明内容

本发明的目的在于针对人体脊髓损伤的病例的现状，从重建脊髓损伤患者神经信号传输通道角度，提出一种基于量子纠缠传态的脊髓损伤神经信号中继系统及方法，以高效、安全、彻底的修复脊髓损伤患者的神经信号，恢复脊髓损伤患者的肢体功能。

本发明的技术方案是这样是实现的：

一.量子纠缠传态原理

量子纠缠传态是利用Einstein，Podolsky，Rosen提出的连续变量纠缠态EPR原理中的纠缠粒子对远程关联的特性，实现未知量子态的远程传输，其方法如图1所示。图1中，矩形方框表示EPR纠缠源，它能够产生纠缠粒子对，图1中的2和3就是由该纠缠源产生的纠缠粒子对。假设信息发送者Alice，要将未知量子态发送给远方的信息接收者Bob，其传输过程如：

第一步：Alice准备一个处于量子态的粒子，该粒子记为1，则1粒子的量子态|φ>₁为：

其中，H表示粒子的自旋方向为水平，V表示粒子的自旋方向为垂直，α|H>₁表示1粒子的自旋方向以概率α处于水平状态，β|V>₁表示1粒子的自旋方向以概率β处于垂直状态。

第二步：EPR纠缠源制备出由粒子2和3组成的纠缠粒子对，将粒子2发送给Alice，粒子3发送给Bob。由于粒子2和3处于纠缠状态，所以源纠缠对2、3的量子态|φ⁺>₂₃表示为：

第三步：Alice对粒子1和2进行测量，并将测量结果通过经典信道发送给Bob；

第四步：Bob在接收到Alice通过经典信道发送来的信息之后，对粒子3实施幺正变换，获得Alice发送的未知量子态该过程可通过1、2、3粒子的量子态|ψ>₁₂₃表示如下：

$|{\mathrm{\ψ}}^{+}{>}_{12}\⊗\left(\mathrm{\α}\right|V{>}_3+\mathrm{\β}\left|H{>}_3\right)+|{\mathrm{\ψ}}^{-}{>}_{12}\⊗\left(\mathrm{\α}\right|V{>}_3-\mathrm{\β}\left|H{>}_3\right);---3)$

其中：|φ^±>₁₂、|ψ^±>₁₂为处于最大纠缠态的四个贝尔态，表示为

${|\mathrm{\ψ}}^{\±}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|V{>}_2\±|V{>}_1\left|H{>}_2\right)---5)$

通过以上操作，Alice即可将未知量子态发送给Bob。

二.技术方案

（一）根据上述原理，本发明对脊髓损伤神经信号进行中继的系统，包括：

纠缠源制备器，用于产生纠缠光子对2和3，即第一光子2和第二光子3；

光子接收器，包括光学成像装置和小孔光澜，用于接收由纠缠源制备器产生的纠缠光子，并将接收的纠缠光子对2和3进行成像；

采集模块，用于刺激受损细胞，获得受损神经元细胞的量子态|φ>₁，对受损细胞进行电压钳位，再测量脊髓损伤上断点J处的神经细胞通道开放产生的电量变化，得到受损神经元细胞的量子态|φ>₁；

测量模块，用于对第一光子2和受损的神经细胞态|φ>₁进行贝尔态测量，获得贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂；

经典通信模块，用于将贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂中的任意一个，从髓损伤上断点J传输到脊髓损伤下断点K处；

变换模块，用于对髓损伤上断点K处的第二光子3进行幺正变换，即可在髓损伤上断点K处获得受损的神经细胞态|φ>₁；

恢复模块，用于刺激脊髓损伤下断点k处的神经细胞态|φ>₁，恢复脊髓损伤神经信号的传递。

（二）根据上述原理，本发明进行中继的实现步骤如下：

1）在脊髓损伤上断点J和脊髓损伤下断点k处分别设置光子接收器；

2）利用泵浦光打在偏硼酸钡晶体上产生纠缠光子对（2和3），即第一光子（2）和第二光子（3），并将这两个纠缠光子分别发给脊髓损伤上断点J处和脊髓损伤的下断点k处的光子接收器；

3）刺激受损神经元细胞，使其状态发生改变，即由静息态变为兴奋态；再采用膜片钳方法，用特制玻璃微吸管吸附受损神经元细胞表面，对其进行电压钳位，测量脊髓损伤上断点J处的神经细胞通道开放产生的电量变化，得到受损神经元细胞的量子态|φ>₁；

4)利用受损神经元细胞态|φ>₁，对在脊髓损伤上断点J处的第一光子（2）的量子态进行一次贝尔态测量，得到处于最大纠缠态的四个贝尔态为贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂，并将该测量结果中的任意一个量子态传输给脊髓损伤的下断点k；

5)在脊髓损伤的下断点k处，根据所传输的量子态，对第二光子（3）进行相应的幺正变换，使得第二光子（3）处于受损神经元细胞的量子态|φ>₁上；

6)刺激脊髓损伤下断点k处的神经细胞，以向后端神经细胞释放神经递质，使受损神经元细胞的量子态|φ>₁从脊髓损伤上断点J处传递到脊髓损伤下断点K，恢复脊髓损伤神经信号的传递。

本发明具有如下优点：

1.本发明致力于解决脊髓损伤领域的研究热点和前沿问题之一，即人体脊髓损伤和肢体功能重建，将量子理论和传统医学研究相结合，为治愈脊髓损伤患者提供有效的解决方法；

2.本发明从重建人体脊髓损伤神经信号传输通道角度修复受损的神经信号，运用量子纠缠传态原理将受损神经元细胞的量子态|φ>₁从脊髓损伤的上断点J传递到脊髓损伤的上断点K，从而重建了脊髓损伤神经信号传输通道，相比于传统的通过神经再生手段解决脊髓损伤问题，该方法技术成熟，实现容易，且可以完全修复受损的神经信号。

3.本发明运用量子纠缠传态原理修复人体脊髓损伤神经信号，由于量子理论特有的不可克隆性质使得该方法具有绝对的安全性，且原理简单，相关运算量少，操作简便，相比于传统医学技术，具有高效、快速的信息处理速度。

附图说明

图1是现有量子纠缠传态的原理图；

图2是正常脊髓内神经信号的传输示意图；

图3是脊髓损伤后神经束断裂的示意图；

图4本发明对脊髓损伤神经信号进行中继的系统框图；

图5是本发明的实现流程图；

图6是基于量子纠缠传态的神经信号中继示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实现过程。

人体的正常脊髓内神经信号传输过程如图2所示，其中ab表示下行神经信号的传输方向，即由中枢神经向外周神经发送运动神经信号，cd表示上行神经信号的传输方向，即由外周神经向中枢神经发送感觉神经信号。当遭受到外力的猛烈撞击，脊髓断裂，将导致下行神经信号的传输路径ab和上行神经信号的传输路径cd中断，患者高位截瘫，如图3所述，其中J、k分别表示脊髓的上、下断裂点。

对比图2和图3可以看出，图3中的下行神经信号的传输路径ab和上行神经信号的传输路径cd的神经束断裂，双向神经信号传输中断。本发明运用量子纠缠传态原理，采用量子设备和现有通信模块实现脊髓损伤神经信号的中继。

参照图4，本发明的脊髓损伤神经信号中继系统包括纠缠源制备器，光子接收器，采集模块，测量模块，经典通信模块，变换模块和恢复模块。其中：纠缠源制备器包括泵浦光、偏硼酸钡晶体和分束器；光子接收器包括光学成像装置和小孔光澜；经典通信模块包括收发器，数据采集装置和电源。

所述泵浦光，打在偏硼酸钡晶体上生成光束，该光束通过分束器产生一对纠缠光子对2和3，即第一光子2和第二光子3，该纠缠光子对的量子态为：

其中，|φ⁺>₂₃表示缠光子对2和3的量子态，|φ⁺>₂₃中的+表示量子态中以+运算，|H>₂表示第一光子2的自旋方向为水平的量子态，|H>₃表示第二光子3的自旋方向为水平的量子态，|V>₂表示第一光子2的自旋方向为垂直的量子态，|V>3表示第二光子3的自旋方向为水平的量子态；

在脊髓损伤上断点J和脊髓损伤下断点K处，利用光学成像装置和小孔光澜对纠缠光子对2和3进行成像，得到纠缠光子对2和3，为测量模块进行贝尔态测量提供第一光子2，为变换模块进行幺正变换提供第二光子3；

所述采集模块，设置在脊髓损伤上断点J，对受损细胞进行电压钳位，再测量脊髓损伤上断点J处的神经细胞通道开放产生的电量变化，为测量模块采集到受损神经元细胞的量子态|φ>₁；

所述测量模块，为经典通信模块提供传输的数据，对光子接收器中的第一光子2和采集模块采集到的受损的神经细胞态|φ>₁进行贝尔态测量，获得贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂，它们分别表示如下：

${|\mathrm{\φ}}^{+}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|H{>}_2+|V{>}_1\left|V{>}_2\right),$

${|\mathrm{\φ}}^{-}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|H{>}_2-|V{>}_1\left|V{>}_2\right),$

${|\mathrm{\ψ}}^{+}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|V{>}_2+|V{>}_1\left|H{>}_2\right),$

${|\mathrm{\ψ}}^{-}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|V{>}_2-|V{>}_1\left|H{>}_2\right),$

其中，|H>₁表示光子1的自旋方向为水平，|H>₂表示光子2的自旋方向为水平，|V>₁表示光子1的自旋方向为垂直，|V>₂表示光子2的自旋方向为垂直,|φ⁺>₁₂和|ψ⁺>₁₂中的+表示量子态中以+运算,|φ^->₁₂和|ψ^->₁₂中的-表示量子态中以-运算。

将上述贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂中的任意一个，通过经典传输介质传递给收发器；

所述变换模块，根据收发器接收到的量子态，对光子接收器的第二光子3进行幺正变换，即可在髓损伤上断点K处获得受损的神经细胞态|φ>₁，其变换规则如下：

若所接收的量子态为贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂，则对第二光子（3）作单位矩阵I变换，即对第二光子3无变换；

若所接收的量子态为贝尔态2的量子态|φ^->₁₂，则对第二光子（3）作σ_X变换，即第二光子3通过一个量子比特X门；

若所接收的量子态为贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂，则对第二光子（3）作σ_Z变换，即第二光子3通过一个量子比特Z门；

若所接收的量子态为贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂，则对第二光子（3）先作σ_X变化，再作σ_Z变换，即第二光子3先通过一个量子比特X门，再通过一个量子比特Z门。

所述恢复模块，刺激变换模块中的受损的神经细胞态|φ>₁，以向后端神经细胞释放神经递质，使受损神经元细胞的量子态|φ>₁从脊髓损伤上断点J处传递到脊髓损伤下断点K，恢复脊髓损伤神经信号的传递。

参照图5，本发明的具体步骤如下：

步骤1，在脊髓损伤上断点J和脊髓损伤下断点k处分别设置光子接收器和经典通信模块。

1.1）找到脊髓损伤的上下断裂点，并在脊髓损伤的上下断点处分别做J和K标记；

1.2）在脊髓损伤上断点J处和脊髓损伤下断点K处，设置通过封装技术封装的光子接收器；

1.3）采用真空封装技术将由收发器，数据采集器和电源组成的经典通信模块，封装在脊髓损伤上断点J和脊髓损伤下断点K处的光子接收器中。

步骤2，纠缠源产生纠缠光子对。

2.1）利用泵浦光打在偏硼酸钡晶体上产生纠缠光子对（2和3），即；第一光子（2）和第二光子（3），纠缠光子对（2和3）的量子态为：

其中，|φ⁺>₂₃表示缠光子对（2和3）的量子态，|φ⁺>₂₃中的+表示量子态中以+运算，|H>₂表示第一光子（2）的自旋方向为水平的量子态，|H>₃表示第二光子（3）的自旋方向为水平的量子态，|V>₂表示第一光子（2）的自旋方向为垂直的量子态，|V>₃表示第二光子（3）的自旋方向为水平的量子态。

2.2）将第一光子（2）和第二光子（3）这两个纠缠光子分别发给脊髓损伤上断点J处和脊髓损伤的下断点k处的光子接收器。

步骤3，刺激受损神经元细胞。

由于人体神经元细胞中的钠离子Na⁺和钾离子K⁺在神经膜两侧的浓度不同，所以，这些离子会跨过神经细胞膜流动，产生神经信号，神经元细胞的状态由静息态变为兴奋态。在没有刺激的情况下，钠离子Na⁺和钾离子K⁺不断地从细胞膜内渗透至膜外，因此细胞膜电位为外正内负。

将细胞膜电位外正内负的状态称为神经细胞的静息态；当受到外界刺激时，细胞膜对钠离子Na⁺和钾离子K⁺的通透性增加，膜外带正电的离子又穿过细胞膜到达膜内，使得膜内电荷由负变正，即膜电位由静息态的外正内负，变为内正外负，这种状态称为神经细胞的兴奋态。

利用细胞膜内外电荷的改变，刺激下一段膜电位的细胞态，产生兴奋态与静息态之间的转换，使得神经信号不断沿神经轴突进行传递。

步骤4，采用膜片钳方法，得到受损神经元细胞的量子态|φ>₁。

用玻璃微吸管吸附受损神经元细胞表面，对其进行电压钳位，再测量脊髓损伤上断点J处的神经细胞通道开放产生的电量变化，得到受损神经元细胞的量子态|φ>₁。

步骤5，恢复受损神经元细胞的量子态|φ>₁。

参照图6，本步骤的具体实现如下：

5.1）对第一光子（2）进行贝尔态测量，并将测量结果传输给脊髓损伤的下断点k；

5.1a）利用受损神经元细胞态|φ>₁，对在脊髓损伤上断点J处的第一光子（2）的量子态进行一次贝尔态测量，测量结果为贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂，它们分别表示如下：

${|\mathrm{\φ}}^{+}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|H{>}_2+|V{>}_1\left|V{>}_2\right),$

${|\mathrm{\φ}}^{-}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|H{>}_2-|V{>}_1\left|V{>}_2\right),$

${|\mathrm{\ψ}}^{+}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|V{>}_2+|V{>}_1\left|H{>}_2\right),$

${|\mathrm{\ψ}}^{-}{>}_{12}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\right|H{>}_1|V{>}_2-|V{>}_1\left|H{>}_2\right),$

其中，|H>₁表示光子1的自旋方向为水平，|H>₂表示光子2的自旋方向为水平，|V>₁表示光子1的自旋方向为垂直，|V>₂表示光子2的自旋方向为垂直,|φ⁺>₁₂和|ψ⁺>₁₂中的+表示量子态中以+运算,|φ^->₁₂和|ψ^->₁₂中的-表示量子态中以-运算。

5.1b）将贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂中的任意一个，通过步骤1.3）设置的经典通信模块传输给脊髓损伤的下断点k；

5.2）在脊髓损伤的下断点k处，根据所传输的量子态，对第二光子（3）进行相应的幺正变换，其变换规则如下：

若所传输的量子态为贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂，则对第二光子（3）作单位矩阵I变换，即对第二光子（3）无变换；

若所传输的量子态为贝尔态2的量子态|φ^->₁₂，则对第二光子（3）作σ_X变换，即第二光子（3）通过一个量子比特X门；

若所传输的量子态为贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂，则对第二光子（3）作σ_Z变换，即第二光子（3）通过一个量子比特Z门；

若所传输的量子态为贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂，则对第二光子（3）先作σ_X变化，再作σ_Z变换，即第二光子（3）先通过一个量子比特X门，再通过一个量子比特Z门。

步骤6，刺激脊髓损伤下断点k处的神经细胞，以向后端神经细胞释放神经递质，使受损神经元细胞的量子态|φ>₁从脊髓损伤上断点J处传递到脊髓损伤下断点K，恢复脊髓损伤神经信号的传递。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于量子纠缠传态的脊髓损伤神经信号中继系统，其特征在于，包括： 

纠缠源制备器，包括泵浦光、偏硼酸钡晶体和分束器；泵浦光打在偏硼酸钡晶体上，生成的光束通过分束器，产生一对纠缠光子对(2和3)，该纠缠光子对的量子态为： 

其中，|φ⁺>₂₃中的+表示量子态中以+运算，|H>₂表示第一光子(2)的自旋方向为水平的量子态，|H>₃表示第二光子(3)的自旋方向为水平的量子态，|V>₂表示第一光子(2)的自旋方向为垂直的量子态，|V>₃表示第二光子(3)的自旋方向为水平的量子态； 

光子接收器，包括光学成像装置和小孔光澜，用于接收由纠缠源制备器产生的纠缠光子，并将接收的纠缠光子对(2和3)进行成像； 

采集模块，用于刺激受损细胞，获得受损神经元细胞的量子态|φ>₁，对受损细胞进行电压钳位，再测量脊髓损伤上断点J处的神经细胞通道开放产生的电量变化，得到受损神经元细胞的量子态|φ>₁； 

测量模块，用于对第一光子(2)和受损的神经细胞态|φ>₁进行贝尔态测量，获得贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂； 

经典通信模块，用于将贝尔态1的量子态|φ⁺>₁₂、贝尔态2的量子态|φ^->₁₂、贝尔态3的量子态|ψ⁺>₁₂和贝尔态4的量子态|ψ^->₁₂中的任意一个，从髓损伤上断点J传输到脊髓损伤下断点K处； 

变换模块，用于对髓损伤上断点K处的第二光子(3)进行幺正变换，即可在髓损伤上断点K处获得受损的神经细胞态|φ>₁； 

恢复模块，用于刺激脊髓损伤下断点k处的神经细胞态|φ>₁，恢复脊髓损伤神经信号的传递。 

2.根据权利1所述的中继系统，其中经典通信模块，由收发器，数据采集装置和电源构成；数据采集装置在脊髓损伤上断点J处采集到贝尔态测量的结果，并通过经典传输介质传递给收发器。