Zašto biste trebali brinuti o kvantnoj neuroznanosti

U slučaju da niste čuli, kvantna znanost trenutno je vruća, uzbuđena priča o nezamislivo moćnim kvantnim računarima, ultra efikasnoj kvantnoj komunikaciji i neprobojnoj cyber sigurnosti putem kvantne enkripcije.

Čemu sva ta buka?

Jednostavno rečeno, kvantna znanost obećava ogromne skokove naprijed umjesto bebi koraka na koje smo navikli kroz svakodnevnu znanost. Svakodnevna nauka, na primjer, daje nam nove računare koji udvostručuju snagu svake 2-3 godine, dok kvantna znanost obećava računare s mnogo trilione puta više snage od naj mišićavijeg računara koji je danas dostupan.

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

Sve mogućnosti kvantne znanosti od koje 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 ranije bilo nemoguće iznenada moguće, su kvantna superpozicija i kvantno preplitanje.

Prvo se pozabavimo kvantnom superpozicijom.

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

Hajde sada ispitati kvantno preplitanje proširivanjem analogije bejzbola još malo. U normalnom svijetu dvije bejzbol lopte koje sjede u mračnim ormarićima na stadionima prve lige u Los Angelesu i Bostonu potpuno su neovisne jedna o drugoj, tako da ako otvorite jedan od ormarića za skladištenje da pogledate jednu bejzbol loptu, apsolutno se ništa ne bi dogodilo s drugom bejzbol loptom u mračnom ormariću za skladištenje udaljenom 3000 milja. Ali u kvantnom svijetu postoje dvije pojedinačne čestice, poput fotona can biti zapleteni, tako da sam čin osjećanja jednog fotona detektorom istog trenutka prisiljava drugi foton, bez obzira na to koliko je udaljen, da preuzme određeno stanje.

Takvo preplitanje znači da se u kvantnom univerzumu više različitih entiteta ponekad može ponašati kao jedan entitet, bez obzira na to koliko su različiti entiteti udaljeni.

To bi bilo ekvivalent mijenjanju stanja jedne bejzbol lopte - recimo, prisiljavanju da se nalazi na gornjoj u odnosu na donju policu ormarića za skladištenje - jednostavnim otvaranjem ormarića za skladištenje udaljenim 3000 milja i gledanjem u potpuno drugačiji bejzbol.

Ova "nemoguća" ponašanja čine kvantne entitete idealnim za obavljanje nemogućih s, na primjer, računarima. U normalnim računarima pohranjeni bit informacija je ili nula ili jedan, ali u kvantnom računaru pohranjeni bit, nazvan Qubit (kvantni bit), je nula i jedan u isto vrijeme. Dakle, gdje jednostavno spremište memorije od 8 bitova može sadržavati bilo koji pojedinačni broj od 0 do 255 (2^8 = 256), memorija od 8 kubita može pohraniti 2^8 = 256 odvojeni brojevi sve odjednom! Sposobnost skladištenja eksponencijalno više informacija razlog je zašto kvantni računari obećavaju kvantni skok u procesorskoj snazi.

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

Što nas dovodi do sjecišta kvantne znanosti i neurobiologije. Ljudski mozak je daleko moćniji procesor od bilo kojeg računara koji je danas dostupan: postiže li on neke od ovih strašnih moći koristeći kvantnu čudnost na isti način na koji to rade kvantni računari?

Sve do nedavno, odgovor fizičara na to pitanje bio je glasno "Ne".

Kvantni fenomeni poput superpozicije oslanjaju se na izolaciju tih pojava iz okoline, posebno topline u okruženju koja pokreće čestice, uznemiravajući hiper-osjetljivu kvantnu kutu karata superpozicije i prisiljavajući određenu česticu da zauzme bilo točku A ili točku B , ali nikada oboje istovremeno.

Stoga, kada naučnici proučavaju kvantne pojave, ulažu velike napore kako bi izolirali materijal koji proučavaju od okolnog okruženja, obično snižavanjem temperature u svojim eksperimentima na gotovo apsolutnu nulu.

No, iz svijeta fiziologije biljaka raste sve više dokaza da se neki biološki procesi koji se oslanjaju na kvantnu superpoziciju događaju na normalnim temperaturama, povećavajući mogućnost da se nezamislivo čudan svijet kvantne mehanike zaista može upasti u svakodnevni rad drugih bioloških sistema, poput našeg nervnog sistema.

Na primjer, u svibnju 2018. istraživački tim sa Sveučilišta Groningen koji je uključivao fizičara Thomasa la Cour Jansena pronašao je dokaze da biljke i neke fotosintetske bakterije postižu gotovo 100% efikasnost pretvarajući sunčevu svjetlost u upotrebljivu energiju iskorištavajući činjenicu da apsorpcija sunčeve energije uzrokuje neke elektrone u molekule koje hvataju svjetlost da istovremeno postoje u pobuđenim i neuzbuđenim kvantnim stanjima koje se šire na relativno velike udaljenosti unutar biljke, omogućavajući elektronima pobuđenim svjetlom da pronađu najefikasniji put od molekula gdje se svjetlost hvata do različitih molekula gdje je upotrebljiva energija jer je biljka stvorena.

Čini se da je evolucija u svojoj neumornoj potrazi za inženjeringom energetski najefikasnijih oblika života zanemarila uvjerenje fizičara da se korisni kvantni efekti ne mogu dogoditi u toplim, vlažnim okruženjima biologije.

Otkriće kvantnih učinaka u biologiji biljaka dovelo je do potpuno novog područja znanosti koje se naziva kvantna biologija. U posljednjih nekoliko godina, kvantni biolozi otkrili su dokaze o kvantno -mehaničkim svojstvima u percepciji magnetskog polja u očima nekih ptica (omogućavajući pticama da se kreću tokom migracije), te u aktiviranju receptora mirisa kod ljudi. Istraživači vida također su otkrili da su fotoreceptori u ljudskoj mrežnici sposobni stvarati električne signale iz hvatanja jednog kvanta svjetlosne energije.

Je li evolucija također učinila naš mozak hiper-efikasnim u stvaranju upotrebljive energije ili prijenosu i pohranjivanju informacija među neuronima pomoću kvantnih efekata poput superpozicije i zapletanja?

Neuroznanstvenici su na samom početku istraživanja ove mogućnosti, ali ja sam, na primjer, uzbuđen zbog novonastalog polja kvantne neuroznanosti jer bi to moglo dovesti do nevjerojatnih iskoraka u našem razumijevanju mozga.

Govorim to jer nas povijest znanosti uči da najveći pomaci gotovo uvijek dolaze od ideja koje, prije nego što se dogodi određeni prodor, zvuče nevjerojatno čudno. Einsteinovo otkriće da su prostor i vrijeme zaista ista stvar (opća relativnost) jedan je primjer, Darwinovo otkriće da su ljudi evoluirali iz primitivnijih oblika života je drugi. Naravno, Planckovo, Einsteinovo i Borovo otkriće kvantne mehanike, još je jedno.

Sve to snažno implicira da će se ideje koje stoje iza sutrašnje igre koje mijenjaju napredak u neuroznanosti današnjici većini činiti krajnje neobičnim i nevjerojatnim.

E 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 slutim da će dublje razumijevanje kvantnih efekata u živim sistemima donijeti važna nova saznanja o našem mozgu i nervnom sistemu, ako ni zbog čega drugog, usvajanje kvantnog gledišta uzrokovat će neuroznanstvenike da traže odgovore u čudnim i divna mjesta za koja nikada ranije nisu razmišljali da ih istraže.

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