Miksi sinun pitäisi välittää kvantti-neurotieteestä

Jos et ole vielä kuullut, kvanttitiede on tällä hetkellä valkeaa, ja siinä puhutaan innoissaan kuvittelemattomasti voimakkaista kvanttitietokoneista, erittäin tehokkaasta kvanttiviestinnästä ja läpäisemättömästä kyberturvallisuudesta kvanttisalauksella.

Miksi kaikki hype?

Yksinkertaisesti sanottuna kvanttitiede lupaa valtavia hyppyjä eteenpäin päivittäisen tieteen kautta tottuneiden vauvaportaiden sijaan. Esimerkiksi jokapäiväinen tiede antaa meille uusia tietokoneita, joiden teho kaksinkertaistuu 2-3 vuoden välein, kun taas Quantum-tiede lupaa tietokoneita monien kanssa biljoonia kertoja enemmän virtaa kuin lihaksikkain tietokone, jota on saatavilla tänään.

Toisin sanoen, kvanttitiede, jos se onnistuu, tuottaa seismisen muutoksen tekniikassa, joka muuttaa maailman sellaiseksi kuin me tunnemme sen, vielä syvemmällä tavalla kuin Internet tai älypuhelimet tekivät.

Kvanttitieteen henkeäsalpaavat mahdollisuudet johtuvat yhdestä yksinkertaisesta totuudesta: kvantti-ilmiöt rikkovat täysin säännöt, jotka rajoittavat sitä, mitä "klassinen" (normaali) ilmiö voi saavuttaa.

Kaksi esimerkkiä, joissa kvanttitiede tekee sen, mikä on mahdotonta, on yhtäkkiä mahdollista, ovat kvanttisupposio ja kvanttitartunta.

Käsittelemme ensin kvanttisuppositiota.

Normaalissa maailmassa esine, kuten baseball, voi olla vain yhdessä paikassa kerrallaan. Mutta kvanttimaailmassa hiukkanen, kuten elektroni, voi olla ääretön määrä paikkoja samaan aikaan, fyysikot kutsuvat useiden tilojen superpositioksi. Joten kvanttimaailmassa yksi asia käyttäytyy joskus kuten monet erilaiset asiat.

Tarkastellaan nyt kvanttitartumista laajentamalla baseball-analogiaa hieman pidemmälle. Normaalissa maailmassa kaksi baseball-palloa, jotka istuvat pimeissä kaapissa Los Angelesin ja Bostonin pääliigan stadionilla, ovat täysin toisistaan ​​riippumattomia, niin että jos avaat yhden säilytyslokerosta katsomaan yhtä baseballia, mitään muuta ei tapahtuisi muulle baseballille pimeässä säilytyslokerossa 3000 mailin päässä. Mutta kvanttimaailmassa kaksi yksittäistä hiukkasia, kuten fotonit voi olla sotkeutunut siten, että pelkkä yhden fotonin havaitseminen ilmaisimella pakottaa toisen fotonin hetkellisesti olemaan tietyn tilan.

Tällainen takertuminen tarkoittaa, että kvanttiversumissa useat erilliset entiteetit voivat joskus käyttäytyä yhtenä kokonaisuutena riippumatta siitä, kuinka kaukana erilliset entiteetit ovat.

Tämä vastaisi yhden pesäpallon tilan muuttamista - esimerkiksi pakottamalla se olemaan säilytyskaapin ylä- tai alahyllylle - yksinkertaisesti avaamalla säilytyskaappi 3000 mailin päässä ja katsomalla täysin eri baseball.

Nämä "mahdottomat" käyttäytymismuodot tekevät kvanttiyksiköistä ihanteellisen mahdottomaksi esimerkiksi tietokoneiden kanssa. Normaaleissa tietokoneissa tallennettu bitti tieto on joko nolla tai yksi, mutta kvanttitietokoneessa tallennettu bitti, nimeltään Qubit (kvanttibitti), on sekä nolla että yksi samanaikaisesti. Siten, kun yksinkertainen 8-bittinen muistimuisti voi sisältää minkä tahansa yksittäisen numeron välillä 0 - 255 (2 ^ 8 = 256), 8 Qubitin muisti voi tallentaa 2 ^ 8 = 256 erilliset numerot kaikki kerralla! Kyky tallentaa eksponentiaalisesti enemmän tietoa on miksi kvanttitietokoneet lupaavat kvanttihypyn prosessointitehossa.

Yllä olevassa esimerkissä 8-bittinen muisti kvanttitietokoneessa tallentaa 256 numeroa välillä 0 - 255 kerralla, kun taas tavallisen tietokoneen 8-bittinen muisti tallentaa vain yhden numeron välillä 0 - 255 kerrallaan. Kuvittele nyt 24-bittinen kvanttimuisti (2 ^ 24 = 16 777 216), jossa on vain 3 kertaa niin monta Qubitia kuin ensimmäisessä muistissamme: se voisi tallentaa mahtavan määrän 16777716 erilaista numeroa kerralla!

Mikä tuo meidät kvanttitieteen ja neurobiologian risteykseen. Ihmisen aivot ovat huomattavasti tehokkaampi prosessori kuin mikään nykyisin käytettävissä oleva tietokone: saavuttaako se osan tästä mahtavasta voimasta hyödyntämällä kvantti-outoja samalla tavalla kuin kvanttitietokoneet?

Viime aikoihin asti fyysikkojen vastaus tähän kysymykseen on ollut voimakas ”ei”.

Kvantti-ilmiöt, kuten päällekkäisyys, riippuvat näiden ilmiöiden eristämisestä ympäröivästä ympäristöstä, erityisesti lämmöstä ympäristössä, joka saa hiukkaset liikkeelle, järkyttämällä superherkkyyskorttien superherkän kvanttitalon ja pakottamalla tietyn hiukkasen viemään joko pistettä A tai pistettä B , mutta ei koskaan molempia samanaikaisesti.

Kun tutkijat tutkivat kvanttiilmiöitä, he pyrkivät kuitenkin eristämään tutkittavan materiaalin ympäröivästä ympäristöstä yleensä alentamalla kokeiden lämpötilaa lähes absoluuttiseen nollaan.

Kasvifysiologian maailmasta on kuitenkin saatu näyttöä siitä, että jotkut kvanttisuppositioon perustuvat biologiset prosessit tapahtuvat normaaleissa lämpötiloissa, mikä lisää mahdollisuuden siihen, että käsittämättömän outo kvanttimekaniikan maailma voi todellakin tunkeutua muiden biologisten järjestelmien, kuten hermosto.

Esimerkiksi toukokuussa 2018 Groningenin yliopiston tutkimusryhmä, johon kuului fyysikko Thomas la Cour Jansen, löysi todisteita siitä, että kasvit ja jotkut fotosynteettiset bakteerit saavuttavat lähes 100-prosenttisen hyötysuhteen muuntamalla auringonvalo käyttökelpoiseksi energiaksi hyödyntämällä sitä, että aurinkoenergian imeytyminen aiheuttaa joitain elektroneja valoa sieppaavia molekyylejä esiintyy samanaikaisesti sekä viritetyissä että virittämättömissä kvanttitiloissa, jotka leviävät suhteellisen pitkille etäisyyksille kasvin sisällä, jolloin valoa innoittaneet elektronit löytävät tehokkaimman polun molekyyleistä, joissa valo siepataan eri molekyyleihin, joissa käyttökelpoista energiaa varten kasvi on luotu.

Evolution pyrkii hellittämättömästi suunnittelemaan energiatehokkaimmat elämänmuodot, jättämään huomiotta fyysikkojen uskomuksen, jonka mukaan hyödyllisiä kvanttivaikutuksia ei voi tapahtua biologian lämpimissä ja märissä ympäristöissä.

Kvanttivaikutusten löytäminen kasvibiologiassa on synnyttänyt täysin uuden tiedealan, jota kutsutaan kvanttibiologiaksi. Viime vuosina kvantibiologit ovat löytäneet todisteita kvanttimekaanisista ominaisuuksista magneettikentän havaitsemisessa joidenkin lintujen silmissä (jolloin linnut voivat liikkua muuton aikana) ja hajureseptorien aktivoitumisessa ihmisillä. Näkötutkijat ovat myös havainneet, että ihmisen verkkokalvon fotoreseptorit pystyvät tuottamaan sähköisiä signaaleja yksittäisen kvantti valoenergian sieppaamisesta.

Tekikö evoluutio myös aivojamme hypertehokkaaksi käyttökelpoisen energian tuottamisessa tai tiedon välittämisessä ja varastoinnissa hermosolujen välillä käyttämällä kvanttivaikutuksia, kuten päällekkäisyyttä ja sotkeutumista?

Neurotieteilijät tutkivat tätä mahdollisuutta aivan alussa, mutta olen innoissaan kvantti-neurotieteen syntymässä olevasta kentästä, koska se voi johtaa leukaa pudottaviin läpimurtoihin aivojen ymmärtämisessä.

Sanon tämän, koska tieteen historia opettaa meille, että suurimmat läpimurrot syntyvät melkein aina ideoista, jotka kuulostavat uskomattoman oudolta ennen tietyn läpimurron tapahtumista. Einsteinin löytö, että tila ja aika ovat oikeastaan ​​samat (yleinen suhteellisuusteoria), on yksi esimerkki, Darwinin havainto siitä, että ihmiset kehittyivät primitiivisemmistä elämänmuodoista. Ja tietysti Planckin, Einsteinin ja Bohrin löytö kvanttimekaniikasta on jälleen yksi asia.

Kaikki tämä viittaa vahvasti siihen, että huomisen pelin taustalla olevat ideat neurotieteen kehityksessä näyttävät nykyään useimmille ihmisille olevan erittäin epätavallisia ja epätodennäköisiä.

Juuri siksi, että kvanttibiologia aivoissa kuulostaa oudolta ja epätodennäköiseltä, ei automaattisesti luokitella sitä seuraavan neurotieteellisen harppauksen lähteeksi. Mutta minulla on aavistus siitä, että syvempi ymmärrys elävien järjestelmien kvanttivaikutuksista antaa tärkeitä uusia oivalluksia aivoihimme ja hermostomme, ellei mistään muusta syystä, että kvanttinäkökulman omaksuminen saa neurotieteilijät etsimään vastauksia outoilta ja ihania paikkoja, joita he eivät ole koskaan ajatelleet tutkia aiemmin.

Ja kun tutkijat tutkivat näitä outoja ja ihmeellisiä ilmiöitä, nuo ilmiöt saattavat, kuten heidän kietoutuneet serkkunsa hiukkasfysiikkaan, katsoa niitä takaisin!