Miks peaksite hoolima kvantneuroteadusest

Juhul, kui te pole veel kuulnud, on Quantumi teadus praegu valge, rääkides põnevalt kujuteldamatult võimsatest kvantarvutitest, ülitõhusast kvantkommunikatsioonist ja läbimatust küberturvalisusest kvantkrüptimise kaudu.

Miks kogu hoog?

Lihtsamalt öeldes lubab Quantumi teadus hiiglaslikke hüppeid nende beebisammude asemel, millega oleme igapäevase teaduse kaudu harjunud. Näiteks igapäevane teadus annab meile uued arvutid, mille võimsus kahekordistub iga 2–3 aasta tagant, samas kui kvantiteadus lubab arvuteid paljudega triljoneid kordi rohkem energiat kui tänapäeval kõige lihaselisem arvuti.

Teisisõnu põhjustab kvantiteadus edu korral seismilise nihke tehnoloogias, mis kujundab maailma ümber sellisena, nagu me seda teame, veelgi põhjalikumal viisil kui Internet või nutitelefonid.

Kvantiteaduse hingematvad võimalused tulenevad kõik ühest lihtsast tõest: kvantnähtused rikuvad täielikult reegleid, mis piiravad seda, mida “klassikalised” (normaalsed) nähtused suudavad saavutada.

Kaks näidet, kus kvantiteadus muudab selle, mis varem võimatuks sai, on järsku võimalik, on kvantne superpositsioon ja kvantmõlgitus.

Käsitleme kõigepealt kvantide superpositsiooni.

Tavalises maailmas võib selline objekt nagu pesapall olla korraga ainult ühes kohas. Kuid kvantmaailmas võib selline osake nagu elektron hõivata lõpmatu arvu kohti samal ajal, eksisteerivad selles, mida füüsikud nimetavad mitme seisundi superpositsiooniks. Nii et kvantmaailmas käitub üks asi mõnikord nagu paljud erinevad asjad.

Uurime nüüd kvantpõimumist, laiendades pesapalli analoogiat veidi edasi. Tavapärases maailmas on kaks pesapalli, mis istuvad Los Angelese ja Bostoni kõrgliiga staadionitel tumedates kappides, üksteisest täiesti sõltumatud, nii et kui avate ühe pesakapi ühe pesapalli vaatamiseks, ei juhtuks teise pesapalliga absoluutselt midagi pimedas hoiukapis 3000 miili kaugusel. Kuid kvantmaailmas on kaks üksikut osakest, näiteks footonid saab takerduda nii, et ainuüksi ühe footoni detektoriga tajumine sunnib teist footoni hetkega, olgu see nii kaugel kui tahes, võtma teatud seisundi.

Selline takerdumine tähendab, et kvantuniversumis võivad mitu erinevat üksust mõnikord käituda ühe üksusena, hoolimata sellest, kui erinevad üksused üksteisest kaugel asuvad.

See oleks samaväärne ühe pesapalli oleku muutmisega - ütleme nii, et sunnite selle olema hoiukapi ülemisel või alumisel riiulil - lihtsalt avades hoiukapi 3000 miili kaugusel ja vaadates täielikult erinevad pesapall.

See „võimatu“ käitumine muudab kvantüksused ideaalseks näiteks arvutitega võimatuks. Tavalistes arvutites on salvestatud informatsioonibitt kas null või üks, kuid kvantarvutis on salvestatud bitt, mida nimetatakse Qubitiks (kvantbitiks) korraga nii null kui ka üks. Seega, kui lihtne 8-bitine mälupood võib sisaldada ükskõik millist individuaalset arvu vahemikus 0 kuni 255 (2 ^ 8 = 256), saab 8-kuubitisesse mällu salvestada 2 ^ 8 = 256 eraldi numbrid kõik korraga! Võime säilitada eksponentsiaalselt rohkem teavet on see, miks kvantarvutid lubavad kvanthüpet töötlemisvõimsuses.

Ülaltoodud näites salvestab kvantarvuti 8-bitine mälu korraga 256 numbrit vahemikus 0 kuni 255, samal ajal kui tavalise arvuti 8-bitine mälu salvestab korraga ainult 1 numbri vahemikus 0 kuni 255. Kujutage nüüd ette 24-bitist kvantmälu (2 ^ 24 = 16 777 216), kus on ainult 3 korda rohkem kubiteid kui meie esimeses mälus: see võiks salvestada ilmatu 16 777 216 erinevat numbrit korraga!

Mis viib meid kvantteaduse ja neurobioloogia ristumiskohta. Inimaju on palju võimsam protsessor kui ükski tänapäeval saadaval olev arvuti: kas see saavutab osa sellest vinge võimest, rakendades kvantmudeleid samamoodi nagu kvantarvutid?

Kuni viimase ajani on füüsikute vastus sellele küsimusele olnud kindel “ei”.

Kvantnähtused, nagu superpositsioon, põhinevad nende nähtuste eraldamisel ümbritsevast keskkonnast, eriti kuumusest keskkonnas, mis paneb osakesed liikuma, häirides superpositsioonikaartide hüper delikaatset kvantmaja ja sundides konkreetset osakest hõivama kas punkti A või punkti B , kuid mitte kunagi mõlemat korraga.

Seega, kui teadlased uurivad kvantnähtusi, näevad nad palju vaeva, et uuritavad materjalid ümbritsevast keskkonnast isoleerida, alandades oma katsete temperatuuri peaaegu absoluutse nullini.

Kuid taimefüsioloogia maailmast on tõendeid selle kohta, et mõned bioloogilised protsessid, mis toetuvad kvantide superpositsioonile, toimuvad normaalsel temperatuuril, suurendades võimalust, et kujuteldamatult kummaline kvantmehaanika maailm võib tõepoolest tungida teiste bioloogiliste süsteemide, näiteks meie närvisüsteem.

Näiteks leidis 2018. aasta mais Groningeni ülikooli uurimisrühm, kuhu kuulus füüsik Thomas la Cour Jansen, tõendeid selle kohta, et taimed ja mõned fotosünteesivad bakterid saavutavad peaaegu 100% -lise efektiivsuse, muutes päikesevalguse kasutatavaks energiaks, kasutades ära asjaolu, et päikeseenergia neeldumine põhjustab mõningaid elektrone valgust püüdvad molekulid eksisteerivad samaaegselt nii ergastatud kui ka ergastamata kvantseisundites, mis levivad taime sees suhteliselt pikkadele vahemaadele, võimaldades valgust ergastavatel elektronidel leida kõige tõhusam tee molekulidest, kus valgus on hõivatud erinevatesse molekulidesse, kus kasutatav energia sest taim on loodud.

Näib, et Evolution on oma halastamatute püüdlustega välja töötada kõige energiasäästlikumad eluvormid, ignoreerinud füüsikute veendumust, et kasulikud kvantefektid ei saa juhtuda bioloogia soojas ja märjas keskkonnas.

Kvantefektide avastamine taimebioloogias on tekitanud täiesti uue teadusvaldkonna, mida nimetatakse kvantbioloogiaks. Viimastel aastatel on kvantbioloogid leidnud tõendeid kvantmehaaniliste omaduste kohta magnetvälja tajumises mõnede lindude silmis (võimaldades lindudel rändamise ajal navigeerida) ja inimeste lõhnaretseptorite aktiveerimisel. Nägemisuurijad on ka avastanud, et inimese võrkkestas olevad fotoretseptorid on võimelised genereerima elektrilisi signaale ühe valgusenergia kvandi püüdmisel.

Kas evolutsioon muutis meie aju ülitõhusaks ka kasutatava energia genereerimisel või teabe edastamisel ja salvestamisel neuronite vahel, kasutades selliseid kvantefekte nagu superpositsioon ja takerdumine?

Neuroteadlased uurivad seda võimalust kohe alguses, kuid ma olen ühest küljest elevil kvantneuroteaduse tekkivast valdkonnast, sest see võib viia lõualuu langevate läbimurreteni aju mõistmisel.

Ma ütlen seda sellepärast, et teadusajalugu õpetab meile, et suurimad läbimurded tulevad peaaegu alati ideedest, mis enne konkreetse läbimurde toimumist tunduvad uskumatult imelikud. Einsteini avastus, et ruum ja aeg on tegelikult sama asi (üldrelatiivsusteooria), on üks näide, Darwini avastus, et inimesed arenesid ürgsematest eluvormidest, on teine. Ja muidugi on Plancki, Einsteini ja Bohri kvantmehaanika avastus ennekõike veel üks.

Kõik see viitab tugevalt sellele, et homse mängu taga olevad ideed, mis muudavad neuroteaduse arengut, näivad enamiku inimeste jaoks tänapäeval olevat väga ebatavalised ja ebatõenäolised.

Lihtsalt sellepärast, et kvantbioloogia ajus kõlab imelikult ja ebatõenäoliselt, ei kvalifitseeru see automaatselt järgmise hiiglasliku hüppe allikaks neuroteadustes. Kuid mul on aimdus, et sügavam mõistmine elusüsteemide kvantmõjudest annab meie aju ja närvisüsteemi kohta olulisi uusi teadmisi, kui mitte mingil muul põhjusel, et kvantse vaatenurga omaksvõtmine paneb neuroteadlasi otsima vastuseid kummalistes ja imelised kohad, mida nad varem uurida ei pidanud.

Ja kui uurijad uurivad neid kummalisi ja imelisi nähtusi, võivad need nähtused, nagu nende osakonnafüüsikasse takerduvad nõod, neile tagasi vaadata!