Zašto biste trebali brinuti o kvantnoj neuroznanosti

U slučaju da niste čuli, Quantum znanost trenutno je usijana, uz uzbuđeni govor o nezamislivo moćnim kvantnim računalima, ultra učinkovitoj kvantnoj komunikaciji i neprobojnoj cyber sigurnosti putem kvantne enkripcije.

Zašto sav taj hype?

Jednostavno rečeno, kvantna znanost obećava goleme skokove naprijed umjesto dječjih koraka na koje smo navikli svakodnevnom znanošću. Na primjer, svakodnevna znanost daje nam nova računala koja se udvostručuju svake 2-3 godine, dok Quantum znanost obećava računala s mnogo računala bilijuni puta više snage od najsretnijeg računala koje je danas dostupno.

Drugim riječima, kvantna znanost, ako uspije, proizvest će seizmički pomak u tehnologiji koja će preoblikovati svijet kakav poznajemo, na još dublje načine nego što su to učinili Internet ili pametni telefoni.

Mogućnosti kvantne znanosti od kojih zastaje dah proizlaze iz jedne jednostavne istine: kvantni fenomeni potpuno krše pravila koja ograničavaju ono što „klasični“ (normalni) fenomeni mogu postići.

Dva primjera gdje kvantna znanost čini ono što je nekada bilo nemoguće iznenada je moguće, su kvantna superpozicija i kvantna zapletenost.

Prvo se pozabavimo kvantnom superpozicijom.

U normalnom svijetu objekt kao što je bejzbol može istovremeno biti samo na jednom mjestu. Ali u kvantnom svijetu čestica poput elektrona može zauzeti beskonačan broj mjesta u isto vrijeme, postoje u onome što fizičari nazivaju superpozicijom više stanja. Dakle, u kvantnom svijetu jedna se stvar ponekad ponaša kao mnogo različitih stvari.

Ispitajmo sada kvantnu zapletenost širenjem analogije s bejzbolom malo dalje. U normalnom svijetu dvije bejzbol lopte koje sjede u tamnim ormarićima na stadionima glavnih liga u Los Angelesu i Bostonu potpuno su neovisne jedna o drugoj, tako da ako otvorite jedan od ormarića za pohranu kako biste pogledali jedan bejzbol, drugom se baseballu ne bi dogodilo apsolutno ništa u mračnom ormariću za pohranu udaljenom 3000 milja. Ali u kvantnom svijetu postoje dvije pojedinačne čestice, poput fotona limenka biti zapleteni, tako da puki čin osjećanja jednog fotona detektorom trenutno prisiljava drugi foton, bez obzira koliko je udaljen, da zauzme određeno stanje.

Takva zapletenost znači da se u kvantnom svemiru više različitih entiteta ponekad može ponašati kao jedan entitet, bez obzira koliko su različiti entiteti međusobno udaljeni.

To bi bilo ekvivalentno promjeni stanja jednog bejzbola - recimo, prisiljavanjem da bude na gornjoj i donjoj polici ormara za pohranu - jednostavno otvaranjem ormarića za pohranu udaljenom 3000 milja i promatranjem potpuno drugačiji bejzbol.

Ova "nemoguća" ponašanja čine kvantne entitete idealnim za činjenje nemogućeg s, na primjer, računalima. U normalnim računalima pohranjeni bit informacija je ili nula ili jedan, ali u kvantnom računalu pohranjeni bit, nazvan Qubit (kvantni bit), istovremeno je nula i jedan. Dakle, tamo gdje jednostavno memorijsko spremište od 8 bitova može sadržavati bilo koji pojedinačni broj od 0 do 255 (2 ^ 8 = 256), memorija od 8 Qubita može pohraniti 2 ^ 8 = 256 zasebni brojevi sve odjednom! Sposobnost pohranjivanja eksponencijalno više informacija je razlog zašto kvantna računala obećavaju kvantni skok procesorske snage.

U gornjem primjeru, 8-bitna memorija u kvantnom računalu odjednom pohranjuje 256 brojeva između 0 i 255, dok 8-bitna memorija u običnom računalu odjednom pohranjuje samo 1 broj između 0 i 255. Sada zamislite 24-bitnu kvantnu memoriju (2 ^ 24 = 16,777,216) sa samo 3 puta više Qubita od naše prve memorije: mogla bi pohraniti golemu 16.777.216 različitih brojeva odjednom!

Što nas dovodi do sjecišta kvantne znanosti i neurobiologije. Ljudski mozak je daleko moćniji procesor od bilo kojeg računala koje je danas dostupno: postiže li ovu nevjerojatnu snagu uvlačeći kvantne neobičnosti na isti način na koji to rade kvantna računala?

Sve donedavno, odgovor fizičara na to pitanje bio je odlučan "Ne".

Kvantni fenomeni poput superpozicije oslanjaju se na izoliranje tih pojava od okolnog okoliša, posebno topline u okolišu koja pokreće čestice, uznemirujući hiper-osjetljivu kvantnu kuću karata superpozicije i prisiljavajući određenu česticu da zauzme bilo točku A ili točku B , ali nikada oboje istovremeno.

Dakle, kada znanstvenici proučavaju kvantne pojave, oni se jako trude izolirati materijal koji proučavaju od okolnog okoliša, obično snižavajući temperaturu u svojim eksperimentima na gotovo apsolutnu nulu.

No iz svijeta biljne fiziologije sve se više dokazuju da se neki biološki procesi koji se oslanjaju na kvantnu superpoziciju događaju pri normalnim temperaturama, što povećava mogućnost da nezamislivo čudan svijet kvantne mehanike doista može upasti u svakodnevni rad drugih bioloških sustava, poput našeg živčani sustav.

Na primjer, u svibnju 2018. istraživački tim sa Sveučilišta Groningen u kojem je bio fizičar Thomas la Cour Jansen pronašao je dokaze da biljke i neke fotosintetske bakterije postižu gotovo 100% učinkovitost pretvarajući sunčevu svjetlost u korisnu energiju iskorištavajući činjenicu da apsorpcija sunčeve energije uzrokuje neke elektrone u molekule koje hvataju svjetlost istovremeno postoje i u pobuđenom i u neuzbuđenom kvantnom stanju, raširene na relativno velike udaljenosti unutar biljke, omogućujući svjetlosno pobuđenim elektronima da pronađu najučinkovitiji put od molekula gdje je svjetlost zarobljena do različitih molekula u kojima se koristi energija jer je biljka stvorena.

Čini se da je evolucija, u svojoj neumoljivoj potrazi za stvaranjem energetski najučinkovitijih oblika života, ignorirala uvjerenje fizičara da se korisni kvantni učinci ne mogu dogoditi u toplim, mokrim okruženjima biologije.

Otkriće kvantnih učinaka u biljnoj biologiji iznjedrilo je potpuno novo područje znanosti nazvano kvantna biologija. U posljednjih nekoliko godina kvantni biolozi otkrili su dokaze o kvantno-mehaničkim svojstvima u percepciji magnetskog polja u očima nekih ptica (omogućujući pticama navigaciju tijekom migracije) i aktiviranju receptora mirisa kod ljudi. Istraživači vida također su otkrili da su fotoreceptori u ljudskoj mrežnici sposobni generirati električne signale iz hvatanja jedne kvante svjetlosne energije.

Je li evolucija također učinila naš mozak hiper-učinkovitim u stvaranju korisne energije ili u prijenosu i pohrani podataka među neuronima pomoću kvantnih efekata poput superpozicije i zapletanja?

Neuroznanstvenici su na samom početku ispitivanja ove mogućnosti, ali ja sam uzbuđen zbog novonastalog polja kvantne neuroznanosti jer bi to moglo dovesti do probojnih pomaka u razumijevanju mozga.

Kažem to jer nas povijest znanosti uči da najveći proboj gotovo uvijek dolazi od ideja koje prije nego što se dogodi određeni proboj zvuče nevjerojatno čudno. Einsteinovo otkriće da su prostor i vrijeme doista ista stvar (opća relativnost) jedan je primjer, Darwinovo otkriće da su ljudi evoluirali iz primitivnijih oblika života je drugi. I naravno, Planckovo, Einsteinovo i Bohrovo otkriće kvantne mehanike u prvom redu je još jedno.

Sve to snažno implicira da će se ideja koja stoji iza sutrašnje igre koja mijenja napredak u neuroznanosti danas većini ljudi činiti krajnje neobičnom i nevjerojatnom.

Sad, samo zato što kvantna biologija u mozgu zvuči čudno i nevjerojatno, ne automatski je kvalificira kao izvor sljedećeg divovskog skoka naprijed u neuroznanosti. Ali predosjećam da će dublje razumijevanje kvantnih učinaka u živim sustavima donijeti važne nove uvide o našem mozgu i živčanom sustavu, ako ni zbog čega drugog, da će usvajanje kvantnog gledišta uzrokovati da neuroznanstvenici odgovore traže u neobičnim i divna mjesta koja nikad prije nisu smatrali istražiti.

A kad istražitelji istraže te čudne i čudesne pojave, ti bi se fenomeni, poput njihovih zapletenih rođaka u fizici čestica, mogli osvrnuti na njih!