Dlaczego warto dbać o neuronaukę kwantową

Na wypadek, gdybyście nie słyszeli, nauka kwantowa jest teraz gorąca, z podekscytowaną rozmową o niewyobrażalnie potężnych komputerach kwantowych, ultra wydajnej komunikacji kwantowej i nieprzeniknionym cyberbezpieczeństwie dzięki szyfrowaniu kwantowemu.

Po co cały ten szum?

Mówiąc najprościej, nauka kwantowa obiecuje gigantyczne skoki do przodu zamiast małych kroków, do których przyzwyczailiśmy się dzięki codziennej nauce. Na przykład nauka codzienna dostarcza nam nowe komputery, które podwajają moc co 2-3 lata, podczas gdy nauka kwantowa obiecuje komputery z wieloma biliony razy więcej mocy niż najbardziej rozbudowany komputer dostępny obecnie.

Innymi słowy, nauka kwantowa, jeśli odniesie sukces, spowoduje sejsmiczną zmianę w technologii, która przekształci świat, jaki znamy, w jeszcze głębszy sposób niż Internet czy smartfony.

Wszystkie zapierające dech w piersiach możliwości nauki kwantowej wynikają z jednej prostej prawdy: zjawiska kwantowe całkowicie łamią reguły, które ograniczają możliwości „klasycznych” (normalnych) zjawisk.

Dwa przykłady, w których nauka kwantowa sprawia, że ​​to, co kiedyś było niemożliwe, nagle staje się możliwe, to superpozycja kwantowa i splątanie kwantowe.

Zajmijmy się najpierw superpozycją kwantową.

W normalnym świecie obiekt taki jak piłka do baseballu może znajdować się tylko w jednym miejscu naraz. Ale w świecie kwantowym cząstka taka jak elektron może zajmować nieskończoną liczbę miejsc w tym samym czasie, istnieje w tym, co fizycy nazywają superpozycją wielu stanów. Tak więc w świecie kwantowym jedna rzecz czasami zachowuje się jak wiele różnych rzeczy.

Przyjrzyjmy się teraz splątaniu kwantowemu, rozszerzając nieco analogię baseballu. W normalnym świecie dwie piłki baseballowe siedzące w ciemnych szafkach na głównych stadionach ligowych w Los Angeles i Bostonie są od siebie całkowicie niezależne, tak że gdybyś otworzył jedną z szafek, aby obejrzeć jedną piłkę baseballową, absolutnie nic nie stanie się z drugą. w ciemnej szafce w odległości 3000 mil. Ale w świecie kwantowym dwie oddzielne cząstki, takie jak fotony mogą być splątane w taki sposób, że sam akt wykrycia jednego fotonu za pomocą detektora natychmiast zmusza drugi foton, bez względu na to, jak daleko jest on, do przyjęcia określonego stanu.

Takie splątanie oznacza, że ​​we wszechświecie kwantowym wiele odrębnych bytów może czasami zachowywać się jak pojedynczy byt, bez względu na to, jak bardzo są od siebie oddalone.

Byłoby to odpowiednikiem zmiany stanu jednej piłki do gry w baseball - powiedzmy, zmuszenia jej do umieszczenia jej na górnej i dolnej półce szafki - po prostu otwierając szafkę w odległości 3000 mil i wpatrując się w całkowicie różne baseball.

Te „niemożliwe” zachowania sprawiają, że byty kwantowe są idealne do robienia niemożliwego, na przykład za pomocą komputerów. W normalnych komputerach przechowywany bit informacji to zero lub jedynka, ale w komputerze kwantowym przechowywany bit, zwany Qubit (bit kwantowy), to jednocześnie zero i jeden. Tak więc, gdy prosty magazyn pamięci 8 bitów może zawierać dowolną liczbę od 0 do 255 (2 ^ 8 = 256), pamięć 8 kubitów może przechowywać 2 ^ 8 = 256 oddzielne numery wszystko na raz! Zdolność do przechowywania wykładniczo większej ilości informacji jest powodem, dla którego komputery kwantowe obiecują olbrzymi skok mocy obliczeniowej.

W powyższym przykładzie 8-bitowa pamięć w komputerze kwantowym przechowuje jednocześnie 256 liczb z zakresu od 0 do 255, podczas gdy 8-bitowa pamięć w zwykłym komputerze przechowuje tylko 1 liczbę z zakresu od 0 do 255 naraz. Wyobraźmy sobie teraz 24-bitową pamięć kwantową (2 ^ 24 = 16 777 216) zawierającą tylko 3 razy więcej Qubitów niż nasza pierwsza pamięć: może ona pomieścić ogromną ilość 16 777 216 różnych liczb naraz!

Co prowadzi nas do przecięcia nauki kwantowej i neurobiologii. Ludzki mózg jest procesorem o wiele potężniejszym niż jakikolwiek inny dostępny obecnie komputer: czy osiąga jakąś z tej niesamowitej mocy, wykorzystując kwantową dziwność w taki sam sposób, jak robią to komputery kwantowe?

Aż do niedawna fizyków odpowiedzią na to pytanie było głośne „nie”.

Zjawiska kwantowe, takie jak superpozycja, polegają na odizolowaniu tych zjawisk od otaczającego środowiska, w szczególności ciepła w środowisku, które wprawia cząstki w ruch, zaburzając niezwykle delikatny kwantowy dom kart superpozycji i zmuszając określoną cząstkę do zajęcia punktu A lub punktu B. , ale nigdy oba naraz.

Tak więc, kiedy naukowcy badają zjawiska kwantowe, robią bardzo dużo, aby odizolować badany materiał od otaczającego środowiska, zwykle obniżając temperaturę w swoich eksperymentach do prawie zera absolutnego.

Ale dowody ze świata fizjologii roślin potwierdzają, że niektóre procesy biologiczne, które polegają na superpozycji kwantowej, zachodzą w normalnych temperaturach, co stwarza możliwość, że niewyobrażalnie dziwny świat mechaniki kwantowej może rzeczywiście wkraczać w codzienne funkcjonowanie innych systemów biologicznych, takich jak nasz. układy nerwowe.

Na przykład w maju 2018 r. Zespół badawczy z Uniwersytetu w Groningen, w skład którego wchodził fizyk Thomas la Cour Jansen, znalazł dowody na to, że rośliny i niektóre bakterie fotosyntetyzujące osiągają prawie 100% wydajność przekształcania światła słonecznego w energię użytkową, wykorzystując fakt, że absorpcja energii słonecznej powoduje powstawanie niektórych elektronów w cząsteczki wychwytujące światło mogą jednocześnie istnieć zarówno w stanie kwantowym wzbudzonym, jak i niewzbudzonym, rozprzestrzenionym na stosunkowo duże odległości wewnątrz rośliny, umożliwiając elektronom wzbudzonym światłem znalezienie najbardziej wydajnej ścieżki od cząsteczek, w których światło jest wychwytywane, do różnych cząsteczek, w których jest użyteczna energia ponieważ roślina została stworzona.

Wydaje się, że ewolucja w nieustannym dążeniu do zaprojektowania najbardziej energooszczędnych form życia zignorowała przekonanie fizyków, że użyteczne efekty kwantowe nie mogą wystąpić w ciepłym, wilgotnym środowisku biologicznym.

Odkrycie efektów kwantowych w biologii roślin dało początek zupełnie nowej dziedzinie nauki zwanej biologią kwantową. W ciągu ostatnich kilku lat biolodzy kwantowi odkryli dowody na kwantowe właściwości mechaniczne w percepcji pola magnetycznego w oczach niektórych ptaków (umożliwiając ptakom nawigację podczas migracji) oraz w aktywacji receptorów zapachowych u ludzi. Badacze wzroku odkryli również, że fotoreceptory w ludzkiej siatkówce są zdolne do generowania sygnałów elektrycznych z wychwytywania pojedynczych kwantów energii świetlnej.

Czy ewolucja sprawiła również, że nasze mózgi były niezwykle wydajne w generowaniu użytecznej energii lub przekazywaniu i przechowywaniu informacji między neuronami za pomocą efektów kwantowych, takich jak superpozycja i splątanie?

Neurolodzy są na samym początku badania tej możliwości, ale ja jestem podekscytowany rodzącą się dziedziną neuronauki kwantowej, ponieważ może ona doprowadzić do oszałamiających przełomów w naszym rozumieniu mózgu.

Mówię to, ponieważ historia nauki uczy nas, że największe przełomy prawie zawsze pochodzą z pomysłów, które, zanim nastąpi dany przełom, brzmią niesamowicie dziwnie. Odkrycie Einsteina, że ​​przestrzeń i czas to tak naprawdę to samo (ogólna teoria względności), to jeden przykład, a odkrycie Darwina, że ​​ludzie wyewoluowali z bardziej prymitywnych form życia, jest innym. I oczywiście odkrycie mechaniki kwantowej przez Plancka, Einsteina i Bohra to przede wszystkim kolejne.

Wszystko to silnie sugeruje, że idee stojące za jutrzejszym postępem w neuronauce, które zmieniają reguły gry, dzisiaj będą wydawać się większości ludzi wysoce nieortodoksyjne i nieprawdopodobne.

Otóż ​​tylko dlatego, że biologia kwantowa w mózgu brzmi dziwnie i nieprawdopodobnie, nie kwalifikuje jej automatycznie jako źródła kolejnego gigantycznego skoku w neurobiologii. Ale mam przeczucie, że głębsze zrozumienie efektów kwantowych w żywych systemach dostarczy nowych ważnych informacji o naszych mózgach i układach nerwowych, jeśli nie z innego powodu, że przyjęcie kwantowego punktu widzenia spowoduje, że neuronaukowcy będą szukać odpowiedzi w dziwny i dziwny sposób. wspaniałe miejsca, których nigdy wcześniej nie rozważały.

A kiedy badacze przyjrzą się tym dziwnym i cudownym zjawiskom, mogą one, podobnie jak ich zaplątani kuzyni w fizyce cząstek, spojrzeć na nie wstecz!