Kodėl jums turėtų rūpėti kvantinis neuromokslas

Jei dar negirdėjote, kvantinis mokslas šiuo metu yra labai karštas, su jauduliu kalbant apie neįsivaizduojamai galingus kvantinius kompiuterius, itin efektyvų kvantinį ryšį ir neįveikiamą kibernetinį saugumą per kvantinį šifravimą.

Kodėl visa ažiotažas?

Paprasčiau tariant, Quantum mokslas žada milžiniškus šuolius į priekį, o ne kūdikių žingsnelius, prie kurių įpratome per kasdienius mokslus. Pavyzdžiui, kasdienis mokslas mums suteikia naujų kompiuterių, kurių galia padvigubėja kas 2–3 metus, o „Quantum“ mokslas žada kompiuterius su daugeliu trilijonai kartų daugiau galios nei šiandien prieinamas raumeningiausias kompiuteris.

Kitaip tariant, jei kvantinis mokslas pasiseks, jis sukels seisminį technologijos pokytį, kuris pertvarkys pasaulį, kaip mes jį žinome, dar gilesniais būdais nei internetas ar išmanieji telefonai.

Kvapą gniaužiančios kvapą gniaužiančios kvantinio mokslo galimybės kyla iš vienos paprastos tiesos: kvantiniai reiškiniai visiškai pažeidžia taisykles, kurios riboja tai, ką „klasikiniai“ (normalūs) reiškiniai gali pasiekti.

Du pavyzdžiai, kai kvantinis mokslas staiga įmano tai, kas anksčiau buvo neįmanoma, yra kvantinė superpozicija ir kvantinis susipynimas.

Pirmiausia spręskime kvantinę superpoziciją.

Įprastame pasaulyje objektas, pavyzdžiui, beisbolas, vienu metu gali būti tik vienoje vietoje. Tačiau kvantiniame pasaulyje tokia dalelė kaip elektronas gali užimti begalę vietų Tuo pačiu metu, egzistuojanti tame, ką fizikai vadina kelių būsenų superpozicija. Taigi kvantiniame pasaulyje vienas dalykas kartais elgiasi kaip daugybė skirtingų dalykų.

Dabar panagrinėkime kvantinį įsipainiojimą, išplėsdami beisbolo analogiją šiek tiek toliau. Įprastame pasaulyje du beisbolo kamuoliai, sėdintys tamsiose spintelėse Los Andželo ir Bostono didžiųjų lygų stadionuose, yra visiškai nepriklausomi vienas nuo kito, taigi, jei atidarytumėte vieną iš saugojimo spintelių, norėdami pažvelgti į vieną beisbolą, visiškai nieko nenutiktų kitam beisbolui tamsioje saugykloje, esančioje už 3000 mylių. Tačiau kvantiniame pasaulyje dvi atskiros dalelės, tokios kaip fotonai gali būti įsipainiojusiam taip, kad vien vieno fotono jutimas detektoriumi akimirksniu priverčia kitą fotoną, kad ir koks jis būtų toli, priimti tam tikrą būseną.

Toks susipynimas reiškia, kad kvantinėje visatoje keli skirtingi subjektai kartais gali elgtis kaip vienas subjektas, nesvarbu, kaip toli vienas nuo kito yra atskiri subjektai.

Tai prilygtų vieno beisbolo būsenos keitimui - tarkim, priversti jį būti viršutinėje ir apatinėje lentynoje - paprasčiausiai atidarant 3000 m atstumu esančią spintelę ir visiškai žiūrint į visą skirtingi beisbolas.

Dėl tokio „neįmanomo“ elgesio kvantinės esybės yra idealios, kad, pavyzdžiui, kompiuteriais, būtų neįmanoma. Įprastuose kompiuteriuose saugomas informacijos bitas yra arba nulis, arba vienas, tačiau kvantiniame kompiuteryje saugomas bitas, vadinamas „Qubit“ (kvantiniu bitu), yra ir nulis, ir vienas vienu metu. Taigi, kai paprastoje 8 bitų atminties saugykloje gali būti bet kuris atskiras skaičius nuo 0 iki 255 (2 ^ 8 = 256), 8 „Qubits“ atmintyje galima išsaugoti 2 ^ 8 = 256 atskiri skaičiai viskas vienu metu! Gebėjimas saugoti eksponentiškai daugiau informacijos yra tai, kodėl kvantiniai kompiuteriai žada kvantinį apdorojimo galios šuolį.

Ankstesniame pavyzdyje 8 bitų atmintis kvantiniame kompiuteryje vienu metu saugo 256 skaičius nuo 0 iki 255, o įprasto kompiuterio 8 bitų atmintis vienu metu saugo tik 1 skaičių nuo 0 iki 255. Dabar įsivaizduokite 24 bitų kvantinę atmintį (2 ^ 24 = 16 777 216), turinti tik 3 kartus daugiau kubitų nei pirmoji mūsų atmintis: joje galėtų būti saugoma didžiulė 16 777 216 skirtingų skaičių vienu metu!

Kas mus atveda į Kvantų mokslo ir neurobiologijos sankirtą. Žmogaus smegenys yra daug galingesnis procesorius nei bet kuris kompiuteris, kurį šiandien galima įsigyti: ar jis pasiekia dalį šios nuostabios galios naudodamasis kvantiniais keistenybėmis taip pat, kaip ir kvantiniai kompiuteriai?

Visai neseniai fizikų atsakymas į šį klausimą buvo griežtas „ne“.

Kvantiniai reiškiniai, tokie kaip superpozicija, priklauso nuo tų reiškinių išskyrimo iš supančios aplinkos, ypač šilumos, esančios aplinkoje, kuri išjudina daleles, sutrinka hiper subtilus superpozicijos kortelių kvantinis namas ir priverčia tam tikrą dalelę užimti arba A, arba B tašką. , bet niekada abiejų tuo pačiu metu.

Taigi, kai mokslininkai tiria kvantinius reiškinius, jie labai stengiasi izoliuoti tiriamą medžiagą nuo supančios aplinkos, paprastai sumažindami savo eksperimentų temperatūrą iki beveik absoliutaus nulio.

Tačiau iš augalų fiziologijos pasaulio yra įrodymų, kad kai kurie biologiniai procesai, besiremiantys kvantine superpozicija, vyksta esant normalioms temperatūroms, padidindami galimybę, kad neįsivaizduojamai keistas kvantinės mechanikos pasaulis iš tiesų gali įsibrauti į kasdienį kitų biologinių sistemų, tokių kaip mūsų, darbą. nervų sistemos.

Pavyzdžiui, 2018 m. Gegužės mėn. Groningeno universiteto mokslininkų grupė, kurioje dalyvavo fizikas Thomas la Couras Jansenas, rado įrodymų, kad augalai ir kai kurios fotosintetinės bakterijos pasiekia beveik 100% efektyvumą, paversdamos saulės šviesą tinkama energija, išnaudodamos tai, kad saulės energijos absorbcija sukelia kai kuriuos elektronus šviesą fiksuojančios molekulės vienu metu egzistuoja tiek sužadintose, tiek nesužadintose kvantinėse būsenose, pasklidusios santykinai dideliais atstumais augalo viduje, leidžiančios šviesos sužadintiems elektronams rasti efektyviausią kelią nuo molekulių, kuriose šviesa yra užfiksuota skirtingose ​​molekulėse, kur naudojama energija nes augalas yra sukurtas.

Evoliucija, nenumaldomai siekdama sukurti efektyviausiai energiją vartojančias gyvybės formas, atrodo, nepaisė fizikų įsitikinimo, kad naudingi kvantiniai efektai negali atsitikti šiltoje, drėgnoje biologijos aplinkoje.

Kvantinių efektų atradimas augalų biologijoje sukūrė visiškai naują mokslo sritį, vadinamą kvantine biologija. Per pastaruosius kelerius metus kvantiniai biologai atrado kvantinių mechaninių savybių, susijusių su magnetinio lauko suvokimu kai kurių paukščių akyse (leidžiančių paukščiams judėti migracijos metu) ir kvapo receptorių suaktyvinimo žmonėms, įrodymų. Vizijos tyrėjai taip pat atrado, kad žmogaus tinklainėje esantys fotoreceptoriai sugeba generuoti elektrinius signalus, užfiksavus vieną šviesos energijos kvantą.

Ar evoliucija taip pat padarė mūsų smegenis labai efektyvias generuojant naudingą energiją arba perduodant ir saugant informaciją tarp neuronų naudojant kvantinius efektus, tokius kaip superpozicija ir susipynimas?

Neuromokslininkai yra pačioje pradžioje tiriant šią galimybę, bet aš, be abejo, džiaugiuosi besiformuojančia kvantinės neuromokslų sritimi, nes tai gali sukelti žandikaulį proveržius suprantant smegenis.

Sakau tai todėl, kad mokslo istorija mus moko, kad didžiausius proveržius beveik visada lemia idėjos, kurios, prieš įvykstant tam tikram proveržiui, skamba nepaprastai keistai. Einšteino atradimas, kad erdvė ir laikas iš tikrųjų yra tas pats dalykas (bendrasis reliatyvumas), yra vienas iš pavyzdžių, dar vienas Darvino atradimas, kad žmonės išsivystė iš primityvesnių gyvybės formų. Ir, žinoma, Plancko, Einšteino ir Bohro kvantinės mechanikos atradimas pirmiausia yra dar vienas dalykas.

Visa tai reiškia, kad rytojaus žaidimo idėjos, keičiančios neuromokslų pažangą, šiandien daugumai žmonių atrodo labai netradicinės ir neįtikėtinos.

Vien todėl, kad kvantinė biologija smegenyse skamba keistai ir neįtikėtinai, savaime netampa kvalifikuota kaip kito milžiniško šuolio į priekį neuromoksle šaltinis. Bet nujaučiu, kad gilesnis kvantinių efektų suvokimas gyvose sistemose duos svarbių naujų įžvalgų apie mūsų smegenis ir nervų sistemas, jei ne dėl kitos priežasties, kad kvantinio požiūrio priėmimas paskatins neuromokslininkus ieškoti atsakymų keistai ir nuostabių vietų, kurių anksčiau nė nemanė tirti.

Kai tyrėjai pažvelgs į tuos keistus ir nuostabius reiškinius, tie reiškiniai, kaip ir jų pusbroliai, įsipainioję į dalelių fiziką, gali į juos atsigręžti!