Защо трябва да се грижите за квантовата невронаука

В случай, че не сте чували, в момента квантовата наука е нажежена до бяло, с развълнувани разговори за невъобразимо мощни квантови компютри, ултраефективна квантова комуникация и непроницаема киберсигурност чрез квантово криптиране.

Защо цялата реклама?

Просто казано, квантовата наука обещава гигантски скокове напред вместо бебешките стъпки, на които сме свикнали чрез ежедневната наука. Ежедневната наука например ни дава нови компютри, които се удвояват на всеки 2-3 години, докато Quantum science обещава компютри с много трилиони пъти повече мощност от най-мускулестия компютър, който се предлага днес.

С други думи, квантовата наука, ако бъде успешна, ще доведе до сеизмична промяна в технологията, която ще прекрои света, такъв, какъвто го познаваме, по още по-дълбоки начини, отколкото интернет или смартфоните.

Спиращите дъха възможности на квантовата наука произтичат от една проста истина: квантовите явления напълно нарушават правилата, които ограничават това, което „класическите“ (нормални) явления могат да постигнат.

Два примера, при които квантовата наука прави това, което преди е било невъзможно, изведнъж е възможно, са квантовата суперпозиция и квантовото заплитане.

Нека първо да се справим с квантовата суперпозиция.

В нормалния свят обект като бейзбол може да бъде само на едно място наведнъж. Но в квантовия свят частица като електрон може да заеме безкраен брой места по същото време, съществуващи в това, което физиците наричат ​​суперпозиция на множество състояния. Така че в квантовия свят едно нещо понякога се държи като много различни неща.

Сега нека разгледаме квантовото заплитане, като разширим бейзболната аналогия малко по-нататък. В нормалния свят два бейзболни топки, седнали в тъмните шкафчета на стадионите на големите лиги в Лос Анджелис и Бостън, са напълно независими един от друг, така че ако отворите едно от шкафчетата за съхранение, за да разгледате единия бейзбол, абсолютно нищо няма да се случи с другия бейзбол в тъмно шкафче за съхранение на 3000 мили. Но в квантовия свят има две отделни частици, като фотони мога да бъдат заплетени, така че самото действие на засичане на един фотон с детектор моментално да принуди другия фотон, независимо колко далеч, да приеме определено състояние.

Такова заплитане означава, че в квантовата вселена множество отделни единици понякога могат да се държат като едно цяло, независимо колко отдалечени са отделните обекти.

Това би било еквивалентно на промяна на състоянието на един бейзбол - да кажем, принуждаването му да бъде на горния спрямо долния рафт на шкафче за съхранение - просто чрез отваряне на шкафче за съхранение на 3000 мили и гледане на изцяло различен бейзбол.

Тези „невъзможни“ поведения правят квантовите единици идеални за правене на невъзможното, например с компютри. В нормалните компютри съхраненият бит информация е или нула, или единица, но в квантовия компютър съхраненият бит, наречен Qubit (квантов бит), е едновременно и нула, и единица. По този начин, когато едно просто съхранение на памет от 8 бита може да съдържа всяко отделно число от 0 до 255 (2 ^ 8 = 256), памет от 8 Qubits може да съхранява 2 ^ 8 = 256 отделни номера всичко наведнъж! Възможността за съхраняване на експоненциално повече информация е причината квантовите компютри да обещават квантов скок в мощността на обработка.

В горния пример 8-битова памет в квантов компютър съхранява 256 числа между 0 и 255 наведнъж, докато 8-битова памет в обикновен компютър съхранява само 1 число между 0 и 255 наведнъж. Сега си представете 24-битова квантова памет (2 ^ 24 = 16,777,216) само с 3 пъти повече Qubits от първата ни памет: тя може да съхрани огромна 16 777 216 различни номера наведнъж!

Което ни води до пресечната точка на квантовата наука и невробиологията. Човешкият мозък е много по-мощен процесор от всеки компютър, наличен днес: постига ли част от тази страхотна мощност, като овладява квантовите странности по същия начин, по който го правят квантовите компютри?

До неотдавна отговорите на физиците на този въпрос бяха категорично „Не“.

Квантовите явления като суперпозицията разчитат на изолирането на тези явления от околната среда, особено на топлината в околната среда, която задвижва частиците, разстройва свръх-деликатния квантов дом от карти на суперпозицията и принуждава определена частица да заеме или точка А или точка Б , но никога и двете едновременно.

По този начин, когато учените изучават квантовите явления, те полагат големи усилия, за да изолират материала, който изучават, от околната среда, обикновено чрез понижаване на температурата в експериментите си до почти абсолютна нула.

Но от света на растителната физиология се натрупват доказателства, че някои биологични процеси, които разчитат на квантовата суперпозиция, се случват при нормални температури, повишавайки възможността невъобразимо странният свят на квантовата механика наистина да се намеси в ежедневната работа на други биологични системи, като нашата нервна система.

Например, през май 2018 г. изследователски екип от университета в Гронинген, включващ физика Томас ла Кур Янсен, откри доказателства, че растенията и някои фотосинтетични бактерии постигат почти 100% ефективност, превръщайки слънчевата светлина в използваема енергия, използвайки факта, че абсорбцията на слънчевата енергия причинява някои електрони в улавящи светлина молекули, които едновременно съществуват както в възбудени, така и в невъзбудени квантови състояния, разпространени на относително големи разстояния вътре в растението, позволявайки на възбудените от светлина електрони да намерят най-ефективния път от молекулите, където светлината се улавя, до различни молекули, където използваема енергия защото растението е създадено.

Еволюцията, в своя неумолим стремеж да създаде най-енергийно ефективните форми на живот, изглежда игнорира убеждението на физиците, че полезните квантови ефекти не могат да се случат в топлите, влажни среди на биологията.

Откриването на квантовите ефекти в растителната биология породи изцяло нова област на науката, наречена квантова биология. През последните няколко години квантовите биолози откриха доказателства за квантово-механични свойства в възприемането на магнитното поле в очите на някои птици (което позволява на птиците да се ориентират по време на миграция) и в активирането на рецепторите за миризма при хората. Изследователите на Vision също са открили, че фоторецепторите в човешката ретина са способни да генерират електрически сигнали от улавянето на единични кванти светлинна енергия.

Еволюцията направи ли мозъците ни хиперефективни при генериране на използваема енергия или предаване и съхраняване на информация сред невроните, използвайки квантови ефекти като суперпозиция и заплитане?

Невролозите са в самото начало на разследването на тази възможност, но аз за първи път съм развълнуван от зараждащото се поле на квантовата неврология, защото това може да доведе до пробиви в разбирането на мозъка.

Казвам това, защото историята на науката ни учи, че най-големите пробиви почти винаги идват от идеи, които преди да се случи определен пробив, звучат невероятно странно. Откритието на Айнщайн, че пространството и времето са наистина едно и също нещо (общата теория на относителността) е един пример, а откритието на Дарвин, че хората са еволюирали от по-примитивни форми на живот, е друг. И разбира се, откриването на Планк, Айнщайн и Бор на квантовата механика на първо място е още едно.

Всичко това категорично предполага, че идеите, които стоят зад утрешната игра, променяща напредъка в неврологията, днес изглеждат за повечето хора крайно неортодоксални и невероятни.

Сега, само защото квантовата биология в мозъка звучи странно и невероятно, не я определя автоматично като източник на следващия гигантски скок напред в неврологията. Предчувствам обаче, че по-задълбоченото разбиране на квантовите ефекти в живите системи ще даде важни нови прозрения за мозъка и нервната ни система, ако не поради друга причина, че възприемането на квантова гледна точка ще накара невролозите да търсят отговори в странни и прекрасни места, които никога преди не са обмисляли да разследват.

И когато разследващите разгледат тези странни и прекрасни явления, тези явления, може би, като техните заплетени братовчеди във физиката на частиците, ще погледнат назад към тях!