Prečo by ste sa mali zaujímať o kvantovú neurovedu

Ak ste to ešte nepočuli, kvantová veda je momentálne v kurze, s nadšenými rečami o nepredstaviteľne výkonných kvantových počítačoch, ultra efektívnej kvantovej komunikácii a nepreniknuteľnej kybernetickej bezpečnosti pomocou kvantového šifrovania.

Prečo všetok ten humbuk?

Zjednodušene povedané, kvantová veda sľubuje obrovské skoky vpred namiesto detských krokov, na ktoré sme si vďaka každodennej vede zvykli. Napríklad každodenná veda nám dáva nové počítače, ktorých výkon sa zdvojnásobuje každé 2-3 roky, zatiaľ čo kvantová veda sľubuje počítačom veľa biliónkrát viac energie ako najsvalnatejší počítač, aký je dnes k dispozícii.

Inými slovami, ak bude kvantová veda úspešná, vyprodukuje seizmický posun v technológii, ktorá pretvorí svet, ako ho poznáme, ešte hlbšími spôsobmi, ako to urobil internet alebo smartphony.

Všetky možnosti kvantovej vedy vyrážajú dych z jednej jednoduchej pravdy: kvantové javy úplne porušujú pravidlá, ktoré obmedzujú to, čo môžu „klasické“ (normálne) javy dosiahnuť.

Dva príklady, keď kvantová veda umožňuje to, čo bolo kedysi nemožné, náhle možné: kvantová superpozícia a kvantové zapletenie.

Najprv sa pozrime na kvantovú superpozíciu.

V normálnom svete môže byť predmet, ako napríklad bejzbal, súčasne iba na jednom mieste. Ale v kvantovom svete môže častica, ako je elektrón, obsadiť nekonečné množstvo miest zároveň, existujú v tom, čo fyzici nazývajú superpozícia viacerých stavov. Takže v kvantovom svete sa jedna vec niekedy správa ako veľa rôznych vecí.

Teraz sa pozrime na kvantové zapletenie a trochu rozšírime analógiu bejzbalu. V normálnom svete sú dve bejzbalové lopty sediace v tmavých skrinkách na prvoligových štadiónoch v Los Angeles a Bostone úplne nezávislé od seba, takže ak by ste otvorili jednu z odkladacích skriniek, aby ste sa pozreli na jeden bejzbal, ďalšiemu bejzbalu by sa nestalo nič. v tmavej odkladacej skrinke vzdialenej 3 000 míľ. Ale v kvantovom svete sú to dve jednotlivé častice, napríklad fotóny môcť byť zamotané tak, že samotný akt snímania jedného fotónu detektorom okamžite prinúti druhý fotón, bez ohľadu na to, ako ďaleko, zaujať konkrétny stav.

Takéto zapletenie znamená, že v kvantovom vesmíre sa viac odlišných entít môže niekedy správať ako jedna entita, bez ohľadu na to, ako sú od seba vzdialené.

To by bolo ekvivalentom zmeny stavu jednej baseballovej lopty - povedzme vynútenia, aby bola na hornej a dolnej poličke odkladacej skrinky - jednoducho otvorením odkladacej skrinky vzdialenej 3 000 míľ a pozeraním na úplne rôzne bejzbal.

Vďaka tomuto „nemožnému“ správaniu sú kvantové entity ideálne na uskutočnenie nemožného napríklad v počítačoch. V normálnych počítačoch je uložený bit informácií buď nula alebo jedna, ale v kvantovom počítači je uložený bit, ktorý sa nazýva Qubit (kvantový bit), nulový aj jeden súčasne. Takže tam, kde jednoduché 8-bitové úložisko pamäte môže obsahovať ľubovoľné individuálne číslo od 0 do 255 (2 ^ 8 = 256), je možné do pamäte 8 Qubits uložiť 2 ^ 8 = 256. samostatné čísla naraz! Schopnosť ukladať exponenciálne viac informácií je dôvod, prečo kvantové počítače sľubujú kvantový skok v spracovateľskom výkone.

Vo vyššie uvedenom príklade 8-bitová pamäť v kvantovom počítači ukladá 256 čísel medzi 0 a 255 naraz, zatiaľ čo 8-bitová pamäť v bežnom počítači ukladá iba 1 číslo medzi 0 a 255 súčasne. Teraz si predstavte 24-bitovú kvantovú pamäť (2 ^ 24 = 16 777 216) s iba 3-krát väčším počtom Qubits ako naša prvá pamäť: mohla by uložiť ohromných 16 777 216 rôznych čísel naraz!

Čo nás privádza na priesečník kvantovej vedy a neurobiológie. Ľudský mozog je oveľa výkonnejší procesor ako ktorýkoľvek iný počítač, ktorý je dnes k dispozícii: dosahuje niektorú z týchto úžasných schopností tým, že využíva kvantovú čudnosť rovnakým spôsobom ako kvantové počítače?

Až do nedávnej doby bola odpoveď fyzikov na túto otázku jednoznačná „Nie“.

Kvantové javy, ako napríklad superpozícia, sa spoliehajú na izoláciu týchto javov od okolitého prostredia, najmä tepla v prostredí, ktoré uvádza častice do pohybu, čím narúšajú hyperchúlostivý kvantový dom kariet superpozície a nútia určitú časticu obsadzovať buď bod A, alebo bod B , ale nikdy nie obidve súčasne.

Keď teda vedci študujú kvantové javy, idú do veľkej miery izolovať študovaný materiál od okolitého prostredia, zvyčajne znížením teploty vo svojich experimentoch takmer na absolútnu nulu.

Zo sveta fyziológie rastlín však pribúdajú dôkazy, že niektoré biologické procesy, ktoré sa spoliehajú na kvantovú superpozíciu, sa vyskytujú pri normálnych teplotách, čo zvyšuje možnosť, že nepredstaviteľne zvláštny svet kvantovej mechaniky môže skutočne zasahovať do každodenného fungovania iných biologických systémov, ako je napríklad náš nervové systémy.

Napríklad v máji 2018 výskumný tím na univerzite v Groningene, ktorý zahŕňal fyzika Thomasa la Cour Jansena, našiel dôkaz, že rastliny a niektoré fotosyntetizujúce baktérie dosahujú takmer stopercentnú účinnosť premeny slnečného žiarenia na využiteľnú energiu využitím skutočnosti, že absorpcia slnečnej energie spôsobuje, že niektoré elektróny v molekuly zachytávajúce svetlo, aby súčasne existovali v excitovaných aj neexcitovaných kvantových stavoch šíriacich sa na relatívne veľkých vzdialenostiach vo vnútri rastliny, čo umožňuje elektrónom vzrušeným nájsť najefektívnejšiu cestu z molekúl, kde je svetlo zachytené, do rôznych molekúl, kde je využiteľná energia lebo je vytvorená rastlina.

Zdá sa, že evolúcia vo svojej neúprosnej snahe vytvoriť energeticky najefektívnejšie formy života ignorovala presvedčenie fyzikov, že užitočné kvantové efekty sa nemôžu vyskytnúť v teplom a vlhkom prostredí biológie.

Objav kvantových efektov v biológii rastlín priniesol vznik úplne novej oblasti vedy zvanej kvantová biológia. V posledných niekoľkých rokoch kvantoví biológovia objavili dôkazy o kvantových mechanických vlastnostiach vo vnímaní magnetického poľa v očiach niektorých vtákov (umožňujúcich vtákom navigáciu počas migrácie) a v aktivácii čuchových receptorov u ľudí. Vedci zaoberajúci sa videním tiež zistili, že fotoreceptory v ľudskej sietnici sú schopné generovať elektrické signály zo zachytenia jedinej kvanty svetelnej energie.

Spôsobila evolúcia tiež to, že náš mozog je hyperaktívny pri generovaní použiteľnej energie alebo pri prenose a ukladaní informácií medzi neurónmi pomocou kvantových efektov, ako sú superpozícia a zapletenie?

Neurológovia sú na samom začiatku skúmania tejto možnosti, ale pre jedného som nadšený z rodiaceho sa poľa kvantovej neurovedy, pretože by mohlo viesť k prielomom v našom chápaní mozgu.

Hovorím to preto, lebo história vedy nás učí, že najväčšie objavy takmer vždy pochádzajú z myšlienok, ktoré znejú neskutočne čudne skôr, ako dôjde k určitému prielomu. Jedným z príkladov je Einsteinov objav, že priestor a čas sú skutočne to isté (všeobecná relativita), druhým je Darwinov objav, že ľudia sa vyvinuli z primitívnejších foriem života. A samozrejme, Planckov, Einsteinov a Bohrov objav kvantovej mechaniky je v prvom rade ďalším.

Všetko to silno znamená, že myšlienky zajtrajšej hry, ktoré menia pokrok v neurovede, sa dnes budú väčšine ľudí javiť ako veľmi neortodoxné a nepravdepodobné.

Teraz, len kvôli tomu, že kvantová biológia v mozgu znie čudne a nepravdepodobne, ju automaticky nekvalifikuje ako zdroj budúceho obrovského skoku v neurovede. Mám však tušenie, že hlbšie pochopenie kvantových účinkov v živých systémoch prinesie dôležité nové poznatky o našich mozgoch a nervových systémoch, ak z iného dôvodu nebude prijatie kvantového uhla pohľadu viesť neurovedcov k hľadaniu odpovedí zvláštnymi a úžasné miesta, ktoré nikdy predtým neuvažovali o vyšetrovaní.

A keď sa vyšetrovatelia pozrú na tie čudné a úžasné javy, tieto javy sa môžu, podobne ako ich zapletení bratranci z časticovej fyziky, pozrieť späť na ne!