Почему вам следует заботиться о квантовой неврологии

Если вы не слышали, квантовая наука сейчас раскалена до белого каления, с возбужденными разговорами о невообразимо мощных квантовых компьютерах, сверхэффективной квантовой связи и непреодолимой кибербезопасности посредством квантового шифрования.

К чему вся эта шумиха?

Проще говоря, квантовая наука обещает гигантский скачок вперед вместо маленьких шагов, к которым мы привыкли с помощью повседневной науки. Например, повседневная наука дает нам новые компьютеры, мощность которых удваивается каждые 2-3 года, тогда как квантовая наука обещает компьютеры со многими триллионы раз больше мощности, чем у самого мощного компьютера, доступного сегодня.

Другими словами, квантовая наука, в случае успеха, произведет сейсмический сдвиг в технологиях, который изменит мир, каким мы его знаем, даже более глубоким образом, чем это сделали Интернет или смартфоны.

Захватывающие возможности квантовой науки все проистекают из одной простой истины: квантовые явления полностью нарушают правила, которые ограничивают возможности «классических» (нормальных) явлений.

Два примера, когда квантовая наука делает то, что раньше было невозможным, внезапно возможным, - это квантовая суперпозиция и квантовая запутанность.

Давайте сначала займемся квантовой суперпозицией.

В нормальном мире такой объект, как бейсбольный мяч, может одновременно находиться только в одном месте. Но в квантовом мире частица, такая как электрон, может занимать бесконечное количество мест. в то же время, существуют в том, что физики называют суперпозицией нескольких состояний. Итак, в квантовом мире одна вещь иногда ведет себя так же, как и множество разных вещей.

Теперь давайте исследуем квантовую запутанность, немного расширив аналогию с бейсболом. В нормальном мире два бейсбольных мяча, сидящие в темных шкафчиках на стадионах высшей лиги в Лос-Анджелесе и Бостоне, полностью независимы друг от друга, так что если вы откроете один из шкафчиков, чтобы посмотреть на один бейсбольный мяч, с другим бейсбольным мячом ничего не случится. в темном шкафчике хранения в 3000 милях отсюда. Но в квантовом мире две отдельные частицы, например фотоны может быть запутанным, так что простой акт восприятия одного фотона детектором мгновенно вынуждает другой фотон, независимо от того, как далеко он находится, принять определенное состояние.

Такая запутанность означает, что в квантовой вселенной несколько отдельных объектов могут иногда вести себя как единое целое, независимо от того, насколько далеко друг от друга находятся отдельные объекты.

Это было бы эквивалентом изменения состояния одного бейсбольного мяча - скажем, принуждения его к размещению на верхней и нижней полке шкафчика для хранения - просто открыв шкафчик для хранения на расстоянии 3000 миль и глядя на него целиком. разные бейсбол.

Такое «невозможное» поведение делает квантовые сущности идеальными для невозможного, например, с компьютерами. В обычных компьютерах хранимый бит информации - это либо ноль, либо единица, но в квантовом компьютере хранимый бит, называемый кубитом (квантовый бит), одновременно равен нулю и единице. Таким образом, если простое хранилище памяти из 8 бит может содержать любое отдельное число от 0 до 255 (2 ^ 8 = 256), в памяти из 8 кубитов может храниться 2 ^ 8 = 256 отдельные числа все вместе! Возможность хранить экспоненциально больше информации - вот почему квантовые компьютеры обещают качественный скачок в вычислительной мощности.

В приведенном выше примере 8-битная память квантового компьютера хранит одновременно 256 чисел от 0 до 255, тогда как 8-битная память обычного компьютера хранит только 1 число от 0 до 255 за раз. А теперь представьте себе 24-битную квантовую память (2 ^ 24 = 16 777 216), в которой всего в 3 раза больше кубитов, чем в нашей первой памяти: она могла бы хранить колоссальное количество кубитов. 16 777 216 разных номеров сразу!

Это подводит нас к пересечению квантовой науки и нейробиологии. Человеческий мозг - гораздо более мощный процессор, чем любой компьютер, доступный сегодня: достигает ли он части этой потрясающей мощности, используя квантовые странности так же, как это делают квантовые компьютеры?

Вплоть до недавнего времени физики ответили на этот вопрос решительным «нет».

Квантовые явления, такие как суперпозиция, основаны на изоляции этих явлений от окружающей среды, особенно тепла в окружающей среде, которое приводит частицы в движение, нарушая сверхтонкий квантовый карточный домик суперпозиции и заставляя конкретную частицу занимать либо точку A, либо точку B. , но никогда одновременно.

Таким образом, когда ученые изучают квантовые явления, они делают все возможное, чтобы изолировать изучаемый материал от окружающей среды, обычно за счет снижения температуры в своих экспериментах почти до абсолютного нуля.

Но в мире физиологии растений появляется все больше свидетельств того, что некоторые биологические процессы, основанные на квантовой суперпозиции, происходят при нормальных температурах, что повышает вероятность того, что невообразимо странный мир квантовой механики действительно может вторгаться в повседневную работу других биологических систем, таких как наша. нервная система.

Например, в мае 2018 года исследовательская группа из Университета Гронингена, в которую входил физик Томас ла Кур Янсен, нашла доказательства того, что растения и некоторые фотосинтезирующие бактерии достигают почти 100% эффективности преобразования солнечного света в полезную энергию, используя тот факт, что поглощение солнечной энергии вызывает образование некоторых электронов. светозахватывающие молекулы, которые одновременно существуют как в возбужденном, так и в невозбужденном квантовом состоянии, распространяются на относительно большие расстояния внутри растения, позволяя возбужденным светом электронам находить наиболее эффективный путь от молекул, где свет захватывается, к различным молекулам, где используется полезная энергия для завода создан.

Эволюция в своем неустанном поиске наиболее энергоэффективных форм жизни, похоже, проигнорировала убеждение физиков, что полезные квантовые эффекты не могут происходить в теплой, влажной среде биологии.

Открытие квантовых эффектов в биологии растений дало начало совершенно новой области науки, называемой квантовой биологией. За последние несколько лет квантовые биологи обнаружили доказательства квантово-механических свойств восприятия магнитного поля глазами некоторых птиц (что позволяет птицам ориентироваться во время миграции) и активации обонятельных рецепторов у людей. Исследователи зрения также обнаружили, что фоторецепторы в сетчатке человека способны генерировать электрические сигналы от захвата единичных квантов световой энергии.

Сделала ли эволюция наш мозг сверхэффективным в плане генерации полезной энергии или передачи и хранения информации между нейронами с помощью квантовых эффектов, таких как суперпозиция и запутанность?

Нейробиологи находятся в самом начале исследования этой возможности, но я, например, взволнован зарождающейся областью квантовой нейробиологии, потому что она может привести к потрясающим открытиям в нашем понимании мозга.

Я говорю это, потому что история науки учит нас, что самые большие открытия почти всегда исходят из идей, которые до того, как произойдет конкретный прорыв, звучат невероятно странно. Открытие Эйнштейном того, что пространство и время на самом деле одно и то же (общая теория относительности), является одним из примеров, открытие Дарвина, что люди произошли от более примитивных форм жизни, является другим. И, конечно же, открытие Планком, Эйнштейном и Бором квантовой механики - это еще одно.

Все это убедительно означает, что идеи, лежащие в основе завтрашних достижений нейробиологии, которые изменят правила игры, сегодня покажутся большинству людей в высшей степени неортодоксальными и невероятными.

То, что квантовая биология в мозге звучит странно и невероятно, автоматически не квалифицирует ее как источник следующего гигантского скачка в нейробиологии. Но у меня есть предчувствие, что более глубокое понимание квантовых эффектов в живых системах приведет к важным новым открытиям в отношении нашего мозга и нервной системы, хотя бы по какой-либо другой причине, что принятие квантовой точки зрения заставит нейробиологов искать ответы в странных и странных тонах. чудесные места, которые они никогда раньше не думали исследовать.

И когда исследователи изучают эти странные и чудесные явления, эти явления могут, как и их запутанные кузены в физике элементарных частиц, оглянуться на них!