Miért kell törődnie a kvantum idegtudománnyal?

Abban az esetben, ha még nem hallottál volna róla, a Quantum tudománya jelenleg forró, elképzelhetetlenül erős kvantum számítógépekről, ultrahatásos kvantumkommunikációról és kvantumtitkosításon keresztül áthatolhatatlan kiberbiztonságról szól.

Miért az összes hype?

Egyszerűen fogalmazva: a kvantumtudomány óriási előrelépéseket ígér a mindennapi tudomány által megszokott babalépések helyett. A mindennapi tudomány például olyan új számítógépeket ad nekünk, amelyek 2-3 évente megduplázódnak, míg a Quantum tudomány sokakkal ígér számítógépeket billiószor nagyobb teljesítmény, mint a ma elérhető legizmosabb számítógép.

Más szavakkal, a kvantumtudomány, ha ez sikerrel jár, szeizmikus elmozdulást fog eredményezni a technológiában, amely átformálja a világot, ahogyan mi ismerjük, még mélyebb módon, mint az internet vagy az okostelefonok.

A kvantumtudomány lélegzetelállító lehetőségei mind egyetlen igazságból fakadnak: a kvantumjelenségek teljesen megszegik azokat a szabályokat, amelyek korlátozzák azt, amit a „klasszikus” (normális) jelenségek képesek megvalósítani.

Két olyan példa, ahol a kvantumtudomány hirtelen lehetővé teszi a korábban lehetetlent, a kvantum szuperpozíció és a kvantum összefonódása.

Először foglalkozzunk a kvantumos szuperpozícióval.

A normál világban egy tárgy, például egy baseball, egyszerre csak egy helyen lehet. De a kvantumvilágban egy részecske, például egy elektron, végtelen számú helyet foglalhat el ugyanabban az időben, létezik abban, amit a fizikusok több állapot szuperpozíciójának neveznek. Tehát a kvantumvilágban egy dolog néha sokféle módon viselkedik.

Most vizsgáljuk meg a kvantum-összefonódást a baseball-hasonlat kissé kiterjesztésével. A normál világban két, a Los Angeles-i és a Boston-i bajnokság sötét színű szekrényében ülő baseball teljesen független egymástól, így ha kinyitja az egyik tároló szekrényt, hogy az egyik baseballra nézzen, semmi sem történne a másik baseballal egy 3000 mérföldnyire lévő sötét tárolóban. De a kvantumvilágban két egyedi részecske, például fotonok tud összezavarodni, hogy pusztán az egyik foton detektorral történő érzékelése pusztán arra kényszerítse a másik fotont, függetlenül attól, hogy milyen messze van, egy adott állapot felvételére.

Az ilyen összefonódás azt jelenti, hogy a kvantumuniverzumban több különálló entitás néha egyetlen entitásként viselkedhet, függetlenül attól, hogy az elkülönült entitások milyen távolságra vannak egymástól.

Ez egyenértékű lenne egy baseball állapotának megváltoztatásával - mondjuk arra kényszerítve, hogy a tároló szekrény felső vagy alsó polcára kerüljön - egyszerűen úgy, hogy kinyit egy 3000 mérföldnyire lévő tároló szekrényt, és egy teljesen különböző baseball.

Ezek a „lehetetlen” viselkedések teszik a kvantum entitásokat ideálisvá a lehetetlen megvalósításához például számítógépekkel. Normál számítógépeknél a tárolt információ bit nulla vagy egy, de egy kvantum számítógépen a tárolt bit, amelyet Qubit-nak (kvantumbitnek) hívnak, egyszerre nulla és egy. Tehát, ahol egy egyszerű, 8 bites memóriatároló bármilyen 0 és 255 közötti számot tartalmazhat (2 ^ 8 = 256), egy 8 Qubit memória 2 ^ 8 = 256 külön számokat egyszerre! Az exponenciálisan több információ tárolásának képessége miatt a kvantumszámítógépek kvantumugrást ígérnek a feldolgozási teljesítményben.

A fenti példában egy kvantum számítógép 8 bites memóriája egyszerre tárol 256 számot 0 és 255 között, míg egy hétköznapi számítógép 8 bites memóriája egyszerre csak 1 számot tárol 0 és 255 között. Most képzeljen el egy 24 bites kvantummemóriát (2 ^ 24 = 16 777 216), amelynek csak háromszor annyi Qubitja van, mint az első memóriánkban: óriási mennyiséget tudna tárolni 16 777 216 különböző szám egyszerre!

Ami a kvantumtudomány és a neurobiológia metszéspontjához vezet. Az emberi agy sokkal erősebb processzor, mint bármelyik ma elérhető számítógép: vajon eléri-e ebből a fantasztikus erőből a kvantum furcsaságok felhasználásával ugyanúgy, mint a kvantum számítógépeknél?

Egészen a közelmúltig a fizikusok válasza erre a kérdésre határozott „Nem” volt.

Az olyan kvantumjelenségek, mint a szuperpozíció, azon jelenségek izolálásán alapulnak, amelyek a környező környezettől elkülönülnek, különös tekintettel a környezeti hőre, amely mozgatja a részecskéket, felborítja a szuperpozíciókártyák hiper-finom kvantumházát, és egy adott részecskét arra kényszerít, hogy vagy az A, vagy a B pontot elfoglalja. , de soha nem mindkettőt egyszerre.

Így amikor a tudósok kvantumjelenségeket tanulmányoznak, nagy erőfeszítéseket tesznek arra, hogy a tanulmányozott anyagot elkülönítsék a környező környezettől, általában azzal, hogy a kísérleteik hőmérsékletét közel abszolút nullára csökkentik.

A növényfiziológia világából azonban egyre több bizonyíték áll rendelkezésre arról, hogy néhány, a kvantum szuperpozícióra támaszkodó biológiai folyamat normál hőmérsékleten megy végbe, felvetve annak lehetőségét, hogy elképzelhetetlenül furcsa kvantummechanikai világ valóban behatolhat más biológiai rendszerek, például a mi biológiai rendszereink mindennapi működésébe. idegrendszer.

Például 2018 májusában a Groningeni Egyetemen egy kutatócsoport, amelybe Thomas la Cour Jansen fizikus is beletartozott, bizonyítékot talált arra, hogy a növények és néhány fotoszintetikus baktérium csaknem 100% -os hatékonyságot ér el, és a napfényt felhasználható energiává alakítja, kihasználva azt a tényt, hogy a napenergia felszívódása miatt néhány elektron a fényrögzítő molekulák egyidejűleg léteznek mind gerjesztett, mind nem gerjesztett kvantumállapotokban, amelyek viszonylag nagy távolságokra terjednek el a növény belsejében, lehetővé téve a fénygerjesztő elektronok számára, hogy megtalálják a leghatékonyabb utat azoktól a molekuláktól, ahol a fény különböző molekulákhoz ragad, ahol felhasználható energia mert a növény létrejön.

Úgy tűnik, hogy az evolúció a legenergiahatékonyabb életformák megtervezése iránti kérelmében figyelmen kívül hagyta a fizikusok azon meggyőződését, hogy hasznos kvantumhatások nem fordulhatnak elő a biológia meleg, nedves környezetében.

A kvantumhatások felfedezése a növénybiológiában egy teljesen új tudományterületet hozott létre, az úgynevezett kvantumbiológiát. Az elmúlt években a kvantumbiológusok bizonyítékokat tártak fel a kvantummechanikai tulajdonságokról a mágneses tér észlelésében egyes madarak szemében (lehetővé téve a madarak számára a navigációt a vándorlás során), valamint az emberek szagreceptorainak aktiválódásában. Látáskutatók azt is felfedezték, hogy az emberi retina fotoreceptorai képesek elektromos jeleket létrehozni egyetlen fényenergia-kvantum megfogásából.

Vajon az evolúció az agyunkat is hiperhatékonnyá tette-e a felhasználható energia előállításában vagy az információ továbbításában és tárolásában az idegsejtek között olyan kvantumhatások, mint a szuperpozíció és az összefonódás segítségével?

Az idegtudósok a kezdet kezdetén vizsgálják ezt a lehetőséget, de egyrészt izgatott vagyok a kvantum-idegtudomány kialakulóban lévő területe miatt, mert ez állkapocs-áttöréshez vezethet az agy megértésében.

Azért mondom ezt, mert a tudomány története azt tanítja nekünk, hogy a legnagyobb áttörést szinte mindig olyan ötletek adják, amelyek egy adott áttörés előtt hihetetlenül furcsán hangzanak. Az egyik példa Einstein felfedezése, miszerint a tér és az idő valóban ugyanaz (általános relativitáselmélet), Darwin azon felfedezése, hogy az emberek primitívebb életformákból fejlődtek ki. És természetesen Planck, Einstein és Bohr által a kvantummechanika felfedezése elsősorban egy másik.

Mindez határozottan magában foglalja azt, hogy a holnapi játék mögött álló ötletek, amelyek megváltoztatják az idegtudomány fejlődését, ma a legtöbb ember számára rendkívül unortodoxnak és valószínűtlennek tűnnek.

Csak azért, mert az agy kvantumbiológiája furcsán és valószínűtlennek hangzik, nem minősíti automatikusan a következő óriási ugrás forrásának az idegtudományban. De van egy sejtésem arról, hogy az élő rendszerek kvantumhatásainak mélyebb megértése fontos új betekintést nyer az agyunkra és az idegrendszerünkre, ha más okból nem következik be, hogy a kvantum nézőpontjának elfogadása arra készteti az idegtudósokat, hogy furcsa és csodálatos helyek, amelyeket korábban soha nem fontolgattak.

És amikor a nyomozók megvizsgálják ezeket a furcsa és csodálatos jelenségeket, ezek a jelenségek, akárcsak a részecskefizikában összefonódó unokatestvéreik, visszanézhetnek rájuk!