Зошто треба да се грижите за квантната невронаука

Во случај да не сте слушнале, квантната наука е бела во моментов, со возбудени разговори за незамисливо моќни квантни компјутери, ултра-ефикасна квантна комуникација и непробојна сајбер безбедност преку квантна шифрирање.

Зошто целата возбуда?

Едноставно кажано, квантната наука ветува огромни скокови напред, наместо чекорите на кои сме навикнати преку секојдневната наука. Секојдневната наука, на пример, ни дава нови компјутери со двојна моќност на секои 2-3 години, додека квантната наука ветува компјутери со многу трилиони пати повеќе моќ отколку најмускулниот компјутер достапен денес.

Со други зборови, квантната наука, доколку биде успешна, ќе предизвика сеизмичка промена во технологијата што ќе го преобликува светот каков што го знаеме, на уште подлабоки начини отколку што тоа го направија Интернетот или паметните телефони.

Можностите за одушевување на квантната наука произлегуваат од една едноставна вистина: квантните феномени целосно ги кршат правилата што го ограничуваат она што „класичните“ (нормални) феномени можат да го постигнат.

Два примери каде што квантната наука го прави она што порано беше невозможно одеднаш возможно, се квантната суперпозиција и квантната заплетканост.

Ајде прво да се справиме со квантната суперпозиција.

Во нормалниот свет, објект како што е безбол може да биде само на едно место во исто време. Но, во квантниот свет, честичка како што е електронот може да зазема бесконечен број места во исто време, постоечки во она што физичарите го нарекуваат суперпозиција на повеќе состојби. Значи, во квантниот свет, едно нешто понекогаш се однесува како многу различни нешта.

Сега да ја испитаме квантната заплетканост со проширување на бејзбол аналогијата малку подалеку. Во нормалниот свет, две безбол топки што седат во темни шкафчиња на стадионите во големата лига во Лос Анџелес и Бостон се тотално независни еден од друг, така што ако отворите еден од шкафчињата за складирање да погледнете во еден бејзбол, апсолутно ништо нема да се случи со другото безбол. во темно шкафче за складирање 3.000 милји подалеку. Но, во квантниот свет, две поединечни честички, како што се фотоните може да се заплетка, така што само чинот на насетување на еден фотон со детектор веднаш го принудува другиот фотон, без разлика колку е далеку, да преземе одредена состојба.

Ваквото заплеткување значи дека во квантниот универзум, повеќе различни ентитети понекогаш можат да се однесуваат како единствен ентитет, без разлика колку се разликуваат различните ентитети.

Ова би било еквивалент на промена на состојбата на еден бејзбол - да речеме, принудувајќи да биде на врвот наспроти долната полица на шкафче за складирање - едноставно со отворање на шкафче за складирање на 3.000 милји подалеку и гледање целосно различно безбол

Овие „невозможни“ однесувања ги прават квантните ентитети идеални за да го направат невозможното, на пример, со компјутерите. Во нормалните компјутери, складираната информација е нула или една, но во квантен компјутер складираниот бит, наречен Qubit (квантен бит), е и нула и еден во исто време. Така, каде што едноставната мемориска складиште од 8 бита може да содржи индивидуален број од 0 до 255 (2^8 = 256), меморијата од 8 кубити може да складира 2^8 = 256 одделни броеви одеднаш! Способноста да се складираат експоненцијално повеќе информации е зошто квантните компјутери ветуваат квантен скок во процесорската моќ.

Во горниот пример, 8 -битна меморија во квантен компјутер складира 256 броеви помеѓу 0 и 255 одеднаш, додека 8 -битната меморија во обичен компјутер зачувува само 1 број помеѓу 0 и 255 одеднаш. Сега замислете 24 -битна квантна меморија (2^24 = 16,777,216) со само 3 пати повеќе кубити од нашата прва меморија: може да складира неверојатни 16,777,216 различни броеви одеднаш!

Што н brings носи до пресекот на квантната наука и невробиологијата. Човечкиот мозок е многу помоќен процесор од кој било компјутер достапен денес: постигнува ли дел од оваа неверојатна моќ со искористување на квантната чудност на ист начин како што тоа го прават квантните компјутери?

До неодамна, одговорот на физичарите на тоа прашање беше огромно „Не“.

Квантните феномени како суперпозиција се потпираат на изолирање на тие феномени од околината, особено топлина во околината што ги активира честичките, нарушувајќи ја хипер-деликатната квантна куќа од карти на суперпозиција и принудувајќи одредена честичка да зазема или точка А или точка Б , но никогаш и двајцата во исто време.

Така, кога научниците проучуваат квантни феномени, тие прават големи напори за да го изолираат материјалот што го проучуваат од околината, обично со намалување на температурата во нивните експерименти на речиси апсолутна нула.

Но, од светот на растителната физиологија се зголемуваат докази дека некои биолошки процеси кои се потпираат на квантната суперпозиција се случуваат на нормални температури, што ја зголемува можноста дека незамисливо чуден свет на квантната механика навистина може да навлезе во секојдневното работење на други биолошки системи, како што е нашиот нервните системи.

На пример, во мај 2018 година, истражувачки тим на Универзитетот во Гронинген, во кој беше вклучен физичарот Томас ла Кур Јансен, откри докази дека растенијата и некои фотосинтетички бактерии постигнуваат скоро 100% ефикасност, претворајќи ја сончевата светлина во употреблива енергија, користејќи го фактот дека апсорпцијата на сончевата енергија предизвикува електрони во молекули што ја зафаќаат светлината истовремено да постојат и во возбудена и во не-возбудена квантна состојба, распространета на релативно долги растојанија во фабриката, овозможувајќи им на електроните што возбудуваат светлина да го најдат најефикасниот пат од молекулите каде светлината е заробена до различни молекули каде што може да се искористи енергија. за фабриката е создадена.

Еволуцијата, во својата немилосрдна потрага по инженерство на најенергетски ефикасни форми на живот, се чини дека го игнорираше верувањето на физичарите дека корисни квантни ефекти не можат да се случат во топлите, влажни средини на биологијата.

Откривањето на квантните ефекти во биологијата на растенијата доведе до целосно ново научно поле, наречено квантна биологија. Во изминатите неколку години, квантните биолози открија докази за квантни механички својства во перцепцијата на магнетното поле во очите на некои птици (што им овозможи на птиците да се движат за време на миграцијата) и во активирањето на рецепторите за мирис кај луѓето. Истражувачите за визија исто така открија дека фоторецепторите во човечката мрежница се способни да генерираат електрични сигнали од фаќањето на една кванта светлосна енергија.

Дали еволуцијата исто така го направи нашиот мозок хипер-ефикасен во генерирање корисна енергија или пренесување и складирање информации меѓу невроните користејќи квантни ефекти како што се суперпозиција и заплеткување?

Невронаучниците се на почетокот на истражувањето на оваа можност, но јас сум возбуден за зародишното поле на квантната невронаука, бидејќи тоа може да доведе до огромни откритија во нашето разбирање на мозокот.

Ова го кажувам бидејќи историјата на науката нhes учи дека најголемите откритија скоро секогаш доаѓаат од идеи кои, пред да се случи одреден пробив, звучат неверојатно чудно. Откривањето на Ајнштајн дека просторот и времето се навистина истото (општа релативност) е еден пример, откривањето на Дарвин дека луѓето еволуирале од попримитивни форми на живот, е друг. И, се разбира, откривањето на Планк, Ајнштајн и Бор на квантната механика на прво место, е уште едно.

Сето тоа силно подразбира дека идеите зад утрешната игра што го менуваат напредокот во невронауката, денес на повеќето луѓе ќе им изгледаат како невообичаени и неверојатни.

Сега, само затоа што квантната биологија во мозокот звучи чудно и неверојатно, автоматски не ја квалификува да биде извор на следниот огромен скок напред во невронауката. Но, јас имам уверување дека подлабокото разбирање на квантните ефекти во живите системи ќе даде важни нови сознанија за нашиот мозок и нервниот систем, ако без друга причина, усвојувањето квантна гледна точка ќе предизвика невролозите да бараат одговори во чудни и прекрасни места за кои никогаш порано не размислувале да истражат.

И кога истражувачите ќе ги разгледаат тие чудни и прекрасни феномени, тие феномени, како и нивните заплеткани братучеди во физиката на честички, би можеле да се навратат на нив!