从模拟到现实：利用黏菌（Physarum polycephalum）作为生物电子元件对量子纠缠现象进行实验分析

《Frontiers in Soft Matter》：From simulation to reality: experimental analysis of a quantum entanglement simulation with slime molds (Physarum polycephalum) as bioelectronic components

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　　量子计算作为当今最具前景的计算技术之一，其发展面临诸多挑战，包括高昂的成本、有限的可用性以及较高的错误率。为了应对这些挑战，科学家们不断探索使用经典电子设备来模拟量子计算的可行性。在这一背景下，研究者开始关注一种名为“忆阻器”（memristor）的新型电子元件，因其具有记忆特性，能够在电阻变化中记录电流与电压的历史关系，这使其成为模拟量子电路的潜在工具。然而，如何利用自然生物材料来模拟量子计算中的关键概念，如量子纠缠，仍然是一个值得深入探讨的问题。本研究旨在探索是否可以通过理论模型、物理忆阻器（来自Knowm Inc.）以及生物材料—— slime mold（一种称为 Physarum polycephalum 的黏菌——来实现这一目标。通过实验，我们发现尽管理论模型和物理忆阻器在模拟量子计算方面具有潜力，但黏菌并未表现出理想的忆阻行为，无法用于模拟量子纠缠。因此，研究还提出了一种替代电路，以更准确地描述黏菌的电学特性，并探讨其在其他生物电子应用中的可能性。

### 1. 引言

本研究聚焦于利用黏菌作为生物电子组件，尝试模拟量子计算。近年来，黏菌因其独特的适应性和自我组织能力，在非传统计算领域引起了广泛关注。一些研究表明，黏菌可以在特定条件下表现出类似忆阻器的行为，而忆阻器又被认为能够用于模拟量子电路。这种跨学科的探索为生物电子与量子计算的结合提供了新的视角，揭示了自然界与现代电子技术之间可能存在的联系。然而，由于黏菌的电学特性与理想忆阻器存在显著差异，其是否能用于模拟量子计算仍存在争议。

忆阻器是一种非线性电子元件，其电阻会根据电流和电压的历史变化而改变。作为第四种基本的双端口电路元件，忆阻器与电阻、电感和电容不同，它具有记忆功能。这种特性使其在模拟量子计算中具有独特优势，因为它能够模拟量子比特的状态变化，例如通过改变电阻值来表示量子态的叠加和纠缠。然而，目前关于黏菌是否能表现出类似忆阻器的行为，仍存在分歧。部分研究指出，某些黏菌样本在特定条件下可以表现出忆阻特性，但另一些研究则未能观察到明显的忆阻行为。此外，黏菌的电学行为可能受到内部电容效应的影响，这可能会干扰其作为忆阻器的模拟功能。

本研究的目标是验证黏菌是否真的具有忆阻特性，并进一步探讨其是否可以用于模拟量子纠缠。同时，我们还设计了替代电路以更准确地描述黏菌的电学行为，并探索其在其他生物电子应用中的潜力。

### 2. 方法论

为了实现这一目标，我们采用了一系列实验和模拟方法。首先，我们对 Physarum polycephalum 进行了培养，确保其在实验期间保持活跃状态。随后，我们使用了两种类型的测量设备：一种是 Rigol DG1022 函数发生器，用于生成不同频率和振幅的电流信号；另一种是 Diligent Analog Discovery 3，用于同步测量电压和电流。通过这些设备，我们能够获取黏菌在不同电学输入下的响应数据，并对其进行详细分析。

在实验设计方面，我们构建了一个包含两个离心管的装置，通过透明管连接，以便黏菌可以自由生长并连接到电极。电极的设置模仿了 Knowm Inc. 的忆阻器结构，并使用了 3D 打印的导电环。此外，我们还进行了软件模拟，使用 LTspice 软件构建了一个与实验装置类似的虚拟电路，以比较黏菌与物理忆阻器的电学行为。

为了确保数据的准确性和可重复性，我们对实验数据进行了预处理。首先，我们应用了 Hampel 过滤器来去除异常值，同时保持电压与电流之间的相位关系。然后，我们使用 Savitzky–Golay 平滑滤波器对数据进行零相位平滑，以减少噪声干扰。通过这些步骤，我们能够更清晰地观察黏菌的电学行为，并提取关键特征，如 PCA 偏心率、椭圆拟合残差、夹紧比（Pinch Ratio）以及在零电压处的宽度（Width@V0）。

在数据分类方面，我们基于上述四个特征，为每个样本分配了定性标签（如 RC 型、忆阻器型或模糊型）。最终的分类结果由简单多数投票决定，若特征之间存在冲突，则标记为模糊型。

### 3. 结果

通过实验和模拟，我们发现黏菌的电学行为与理想忆阻器存在显著差异。首先，在使用不同电压输入的实验中，黏菌的 I-V 曲线大多呈现椭圆形，而非典型的“8”字形（即夹紧的滞回曲线）。这表明黏菌的电学响应更类似于 RC 电路，而非忆阻器。此外，黏菌的电容效应在测量中尤为明显，尤其是在低电压输入时，这种效应会导致电流与电压之间出现相位偏移，从而影响模拟结果。

在使用 LTspice 进行的模拟中，我们构建了多个替代电路，以尽可能匹配黏菌的 I-V 曲线。结果显示，一个包含电阻和电容的串联-并联结构能够较好地模拟黏菌的电学行为。尽管黏菌的电学特性存在非线性，但这种非线性并不足以支持其作为忆阻器用于量子纠缠模拟。此外，黏菌的电容效应可能导致其在某些情况下表现出负阻，这在忆阻器中并不常见。

为了进一步验证这些结果，我们还测试了不同频率和振幅的输入信号，并比较了黏菌与其他生物和非生物材料的响应。结果显示，黏菌的 I-V 曲线在不同条件下变化不大，主要呈现出椭圆形特征。相比之下，植物和水样在相同条件下表现出不同的电学特性，例如植物的 I-V 曲线可能更加非线性，而水样则可能受到离子浓度的影响。

在对黏菌的电学特性进行分类时，我们发现大多数样本被归类为 RC 型，只有极少数样本表现出模糊特征。这表明，黏菌的电学行为主要由电阻和电容共同决定，而非忆阻器的非线性记忆特性。此外，黏菌在没有外部输入的情况下，仍然表现出微弱的电学输出，这可能与其内部的电解质和细胞结构有关。

### 4. 讨论

黏菌的电学行为与忆阻器的预期特性存在明显差异，这可能与其内部的电容效应有关。黏菌缺乏细胞膜，这使得其内部结构更类似于一个单一的细胞，而非多个细胞组成的网络。然而，尽管黏菌的电学特性不同于忆阻器，它仍然可以被视为一种具有非线性行为的生物电子组件。

在实验中，我们观察到黏菌的 I-V 曲线在不同条件下呈现出不同的形态，但总体上更接近于 RC 电路。这表明，尽管黏菌无法直接模拟量子纠缠，但它仍然可以在某些电路中发挥重要作用。例如，黏菌可以用于低通滤波器、高通滤波器、相位移电路等，这些电路在信号处理和电子系统中具有广泛应用。

此外，我们还探讨了黏菌在其他生物电子应用中的潜力。例如，黏菌可以用于改进微生物燃料电池，尤其是在阳极或阴极的配置中。这种应用可能为未来的生物电子技术提供新的思路。

### 5. 结论

尽管黏菌的电学特性未能表现出理想的忆阻行为，但它仍然可以作为一种具有非线性特征的生物电子组件，用于模拟某些类型的电路。通过构建替代电路，我们能够更准确地描述黏菌的电学行为，并探索其在不同应用中的潜力。然而，由于黏菌的电容效应，它无法直接用于模拟量子纠缠，因此在量子计算的模拟中仍需依赖传统的忆阻器模型或量子硬件。

未来的研究可以进一步探索如何减少黏菌的电容效应，以使其更接近于忆阻器的行为。此外，黏菌的非线性特性可能为其他类型的电路设计提供灵感，例如相位移电路或频率相关的电压分压器。因此，尽管黏菌在模拟量子计算方面存在局限，它仍然在生物电子领域具有重要的应用价值。