Kāpēc jums vajadzētu rūpēties par kvantu neirozinātni

Gadījumā, ja jūs vēl neesat dzirdējuši, Kvantu zinātne šobrīd ir baltā karstumā, aizraujoši runājot par neiedomājami jaudīgiem kvantu datoriem, īpaši efektīvu kvantu komunikāciju un necaurejamu kiberdrošību, izmantojot kvantu šifrēšanu.

Kāpēc visa ažiotāža?

Vienkārši sakot, kvantu zinātne sola milzu lēcienus uz priekšu, nevis mazuļa pakāpienus, pie kuriem esam pieraduši, izmantojot ikdienas zinātni. Piemēram, ikdienas zinātne mums dod jaunus datorus, kuru jauda ir divkārša ik pēc 2–3 gadiem, savukārt Kvantu zinātne sola datorus ar daudziem triljoniem reižu vairāk jaudas nekā mūsdienās muskuļotākais dators.

Citiem vārdiem sakot, kvantu zinātne, ja tas izdosies, radīs seismiskas pārmaiņas tehnoloģijā, kas pārveidos pasauli tādu, kādu mēs to pazīstam, vēl dziļākos veidos nekā darīja internets vai viedtālruņi.

Kvantu zinātnes elpu aizraujošās iespējas izriet no vienas vienkāršas patiesības: kvantu parādības pilnībā pārkāpj noteikumus, kas ierobežo to, ko “klasiskās” (normālās) parādības var sasniegt.

Divi piemēri, kur Kvantu zinātne pēkšņi padara iespējamu to, kas agrāk bija neiespējami, ir kvantu superpozīcija un kvantu sapīšanās.

Vispirms pievērsīsimies kvantu superpozīcijai.

Normālā pasaulē objekts, piemēram, beisbols, vienlaikus var atrasties tikai vienā vietā. Bet kvantu pasaulē tāda daļiņa kā elektrons var aizņemt bezgalīgi daudz vietu tajā pašā laikā, eksistē tajā, ko fiziķi sauc par vairāku stāvokļu superpozīciju. Tātad kvantu pasaulē viena lieta dažkārt izturas tāpat kā daudzas dažādas lietas.

Tagad pārbaudīsim kvantu sapīšanos, nedaudz paplašinot beisbola analoģiju. Normālā pasaulē divi beisbola bumbas, kas sēž tumšos skapīšos virslīgas stadionos Losandželosā un Bostonā, ir pilnīgi neatkarīgi viens no otra, piemēram, ja jūs atvērtu vienu no skapīšiem, lai skatītos uz vienu beisbolu, ar otru beisbolu nekas nenotiktu tumšā uzglabāšanas skapī 3000 jūdžu attālumā. Bet kvantu pasaulē divas atsevišķas daļiņas, piemēram, fotoni var sapinies tā, ka tikai viena fotona uztveršana ar detektoru uzreiz piespiež otru fotonu neatkarīgi no tā, cik tālu tas ir, uzņemties noteiktu stāvokli.

Šāda sapīšanās nozīmē, ka kvantu visumā vairākas atšķirīgas vienības dažkārt var uzvesties kā viena vienība, neatkarīgi no tā, cik tālu ir atšķirīgās vienības.

Tas būtu līdzvērtīgs viena beisbola stāvokļa maiņai - teiksim, piespiešanai atrasties uz glabāšanas skapīša augšējā vai apakšējā plaukta - vienkārši atverot glabāšanas skapi 3000 jūdžu attālumā un pavērojot pilnībā savādāk beisbols.

Šī “neiespējamā” uzvedība padara kvantu vienības par ideālām, lai paveiktu neiespējamo, piemēram, ar datoriem. Normālos datoros saglabāts informācijas bits ir vai nu nulle, vai viens, bet kvantu datorā glabāts bits, ko sauc par Qubit (kvantu bitu), vienlaikus ir gan nulle, gan viens. Tādējādi, ja vienkāršā 8 bitu atmiņas krātuve var saturēt jebkuru atsevišķu skaitli no 0 līdz 255 (2 ^ 8 = 256), 8 Qubits atmiņā var saglabāt 2 ^ 8 = 256 atsevišķi numuri visi reizē! Spēja uzglabāt eksponenciāli vairāk informācijas ir iemesls, kāpēc kvantu datori sola kvantu lēcienu apstrādes jaudā.

Iepriekš minētajā piemērā 8 bitu atmiņa kvantu datorā vienlaikus glabā 256 numurus no 0 līdz 255, bet parastā datora 8 bitu atmiņa vienlaikus saglabā tikai 1 numuru no 0 līdz 255. Tagad iedomājieties 24 bitu kvantu atmiņu (2 ^ 24 = 16 777 216) ar tikai 3 reizes vairāk kvītu nekā mūsu pirmā atmiņa: tā varētu uzglabāt milzīgu atmiņu 16 777 216 dažādi skaitļi uzreiz!

Kas mūs noved pie Kvantu zinātnes un neirobioloģijas krustojuma. Cilvēka smadzenes ir daudz jaudīgāks procesors nekā jebkurš mūsdienās pieejams dators: vai tas sasniedz daļu no šīs lieliskās jaudas, izmantojot kvantu dīvainības tāpat kā kvantu datori?

Vēl pavisam nesen fiziķu atbilde uz šo jautājumu bija pārliecinoša “nē”.

Kvantu parādības, piemēram, superpozīcija, ir atkarīgas no šo parādību izolēšanas no apkārtējās vides, īpaši siltuma vidē, kas iedarbina daļiņas, izjaucot super-delikāto superpozīcijas karšu kvantu māju un liekot konkrētai daļiņai aizņemt vai nu punktu A, vai B , bet nekad abus vienlaikus.

Tādējādi, pētot kvantu parādības, viņi ļoti cenšas izolēt pētāmo materiālu no apkārtējās vides, parasti eksperimentos samazinot temperatūru līdz gandrīz absolūtai nullei.

Bet no augu fizioloģijas pasaules pierāda, ka daži bioloģiskie procesi, kas balstās uz kvantu superpozīciju, notiek normālā temperatūrā, palielinot iespēju, ka neiedomājami dīvaina kvantu mehānikas pasaule patiešām var iejaukties citu bioloģisko sistēmu, piemēram, mūsu, darbībā katru dienu. nervu sistēmas.

Piemēram, 2018. gada maijā Groningenas universitātes pētnieku grupa, kurā piedalījās fiziķis Tomass la Kurs Jansens, atrada pierādījumus tam, ka augi un dažas fotosintētiskās baktērijas sasniedz gandrīz 100% efektivitāti, pārveidojot saules gaismu par izmantojamu enerģiju, izmantojot faktu, ka saules enerģijas absorbcija izraisa dažus elektronus gaismu uztverošās molekulas vienlaikus eksistē gan ierosinātos, gan neuzbudinātos kvantu stāvokļos, kas izplatās samērā lielos attālumos auga iekšienē, ļaujot gaismas ierosinātajiem elektroniem atrast visefektīvāko ceļu no molekulām, kur gaisma tiek uztverta dažādām molekulām, kur izmantojamā enerģija jo augs ir izveidots.

Evolution, nerimstoši meklējot energoefektīvākās dzīves formas, šķiet, ir ignorējusi fiziķu pārliecību, ka bioloģijas siltajā, mitrā vidē nevar notikt noderīgi kvantu efekti.

Kvantu efektu atklāšana augu bioloģijā ir radījusi pilnīgi jaunu zinātnes jomu, ko sauc par kvantu bioloģiju. Dažu pēdējo gadu laikā kvantu biologi ir atklājuši pierādījumus par kvantu mehāniskajām īpašībām magnētiskā lauka uztverē dažu putnu acīs (ļaujot putniem orientēties migrācijas laikā) un cilvēku smaržas receptoru aktivizēšanā. Redzes pētnieki arī ir atklājuši, ka cilvēka tīklenē esošie fotoreceptori spēj radīt elektriskos signālus, uztverot vienu gaismas enerģijas kvantu.

Vai evolūcija arī padarīja mūsu smadzenes hiperefektīvas, lai radītu izmantojamu enerģiju vai pārraidītu un uzglabātu informāciju starp neironiem, izmantojot tādus kvantu efektus kā superpozīcija un sapīšanās?

Neirozinātnieki ir šīs izmeklēšanas sākumā, taču es esmu sajūsmā par topošo kvantu neirozinātņu jomu, jo tas var novest pie žokļa pilināmiem izrāvieniem mūsu izpratnē par smadzenēm.

Es to saku tāpēc, ka zinātnes vēsture mums māca, ka lielākos sasniegumus gandrīz vienmēr rada idejas, kas pirms konkrēta izrāviena izklausās neticami dīvainas. Einšteina atklājums, ka telpa un laiks patiešām ir viens un tas pats (vispārējā relativitāte), ir viens piemērs, Darvina atklājums, ka cilvēki attīstījās no primitīvākām dzīvības formām, ir vēl viens. Un, protams, Planka, Einšteina un Bora kvantu mehānikas atklājums, pirmkārt, ir vēl viens.

Tas viss nozīmē, ka rītdienas spēles idejas, kas maina neirozinātnes sasniegumus, šodien lielākajai daļai cilvēku šķitīs ļoti netradicionālas un maz ticamas.

Tikai tāpēc, ka kvantu bioloģija smadzenēs izklausās dīvaini un neticami, tas automātiski netiek kvalificēts kā nākamā milzīgā lēciena avots neirozinātnēs. Bet man ir nojauta, ka dziļāka kvantu efektu izpratne dzīvajās sistēmās radīs svarīgu jaunu atziņu par mūsu smadzenēm un nervu sistēmām, ja ne cita iemesla dēļ, ka kvantu viedokļa pieņemšana neirozinātniekiem liks meklēt atbildes dīvainās un brīnišķīgas vietas, kuras viņi nekad iepriekš nav apsvēruši izmeklēt.

Un, kad izmeklētāji aplūko šīs dīvainās un brīnišķīgās parādības, šīs parādības, tāpat kā viņu daļiņu fizikā iepinušās māsīcas, varētu uz tām atskatīties!