Чому ви повинні дбати про квантову нейронауку

Якщо ви ще не чули, квантова наука зараз гаряча, із захопленими розмовами про немислимо потужні квантові комп’ютери, надефективний квантовий зв’язок та непроникну кібербезпеку завдяки квантовому шифруванню.

Чому все ажіотаж?

Простіше кажучи, квантова наука обіцяє гігантські стрибки вперед замість дитячих кроків, до яких ми звикли через повсякденну науку. Наприклад, повсякденна наука дає нам нові комп'ютери, що подвоюють потужність кожні 2-3 роки, тоді як квантова наука обіцяє комп'ютери з багатьма трильйони разів більше енергії, ніж наймускуліший комп'ютер, який є на сьогоднішній день.

Іншими словами, квантова наука, у разі успіху, призведе до сейсмічних зрушень у технологіях, які перекроють світ таким, яким ми його знаємо, ще більш глибокими способами, ніж це зробили Інтернет або смартфони.

Захоплюючі дух можливості квантової науки випливають з однієї простої істини: квантові явища повністю порушують правила, які обмежують те, що “класичні” (нормальні) явища можуть досягти.

Два приклади, коли квантова наука раптом робить можливим те, що раніше було неможливим, - це квантова суперпозиція та квантове заплутування.

Давайте вирішимо спочатку квантову суперпозицію.

У звичайному світі такий предмет, як бейсбол, може знаходитися лише в одному місці одночасно. Але в квантовому світі така частинка, як електрон, може займати нескінченну кількість місць в той самий час, існує в тому, що фізики називають суперпозицією декількох станів. Тож у квантовому світі одна річ іноді поводиться як багато різних речей.

Тепер давайте розглянемо квантову заплутаність, розширивши аналогію бейсболу трохи далі. У звичайному світі два бейсбольні м'ячі, що сидять у темних шафках на стадіонах вищої ліги в Лос-Анджелесі та Бостоні, абсолютно незалежні один від одного, так що, якщо ви відкриєте одну із шаф для зберігання, щоб подивитися на один бейсбол, з іншим бейсболом абсолютно нічого не трапиться у темному шафці для зберігання за 3000 миль. Але в квантовому світі дві окремі частинки, такі як фотони може бути заплутаним таким чином, що сам акт зондування одного фотона детектором миттєво змушує інший фотон, як би далеко він не знаходився, прийняти певний стан.

Таке заплутування означає, що в квантовому Всесвіті кілька різних сутностей можуть іноді поводитися як єдине ціле, незалежно від того, наскільки віддалені від них різні сутності.

Це було б еквівалентно зміні стану одного бейсболу - скажімо, змусити його знаходитись на верхній і нижній полиці шафки для зберігання - просто відкривши шафку для зберігання на відстані 3000 миль і дивлячись на цілком інший бейсбол.

Ці “неможливі” поведінки роблять квантові сутності ідеальними для здійснення неможливого, наприклад, за допомогою комп’ютерів. У звичайних комп'ютерах збережений біт інформації - це або нуль, або одиниця, але в квантовому комп'ютері збережений біт, який називається Qubit (квантовий біт), одночасно є нулем і одиницею. Таким чином, де просте сховище пам'яті з 8 бітів може містити будь-яке окреме число від 0 до 255 (2 ^ 8 = 256), пам'ять з 8 кубітів може зберігати 2 ^ 8 = 256 окремі номери все одразу! Можливість зберігати експоненційно більше інформації - це те, чому квантові комп’ютери обіцяють квантовий стрибок обробної потужності.

У наведеному вище прикладі 8-бітна пам’ять у квантовому комп’ютері зберігає 256 чисел від 0 до 255 відразу, тоді як 8-бітна пам’ять у звичайному комп’ютері одночасно зберігає лише 1 число від 0 до 255. А тепер уявіть собі 24-бітову квантову пам’ять (2 ^ 24 = 16 777 216) із лише в 3 рази більшою кількістю кубітів, ніж наша перша пам’ять: вона може зберігати колосальну 16 777 216 різних номерів одночасно!

Що підводить нас до стику квантової науки та нейробіології. Людський мозок набагато потужніший процесор, ніж будь-який сучасний комп'ютер: чи досягає він цієї надзвичайної сили, використовуючи квантові дивацтва так само, як це роблять квантові комп'ютери?

Донедавна відповідь фізиків на це питання була рішучим "Ні".

Такі квантові явища, як суперпозиція, покладаються на ізоляцію цих явищ від навколишнього середовища, особливо тепла в навколишньому середовищі, яке приводить частинки в рух, порушуючи гіпер-делікатний квантовий будинок карт суперпозиції і змушуючи певну частинку займати точку А або точку Б , але ніколи обидва одночасно.

Таким чином, коли вчені вивчають квантові явища, вони докладають всіх зусиль, щоб ізолювати досліджуваний матеріал від навколишнього середовища, як правило, знижуючи температуру в своїх експериментах майже до абсолютного нуля.

Але зі світу фізіології рослин набуває доказів того, що деякі біологічні процеси, які залежать від квантової суперпозиції, відбуваються при нормальних температурах, підвищуючи ймовірність того, що немислимо дивний світ квантової механіки дійсно може втручатися в повсякденну роботу інших біологічних систем, таких як наша нервової системи.

Наприклад, у травні 2018 року дослідницька група в Університеті Гронінгена, до якої входив фізик Томас ла Кур Янсен, знайшла докази того, що рослини та деякі фотосинтетичні бактерії досягають майже 100% ефективності, перетворюючи сонячне світло на корисну енергію, використовуючи той факт, що поглинання сонячної енергії спричиняє деякі електрони в світлозахоплюючі молекули одночасно існують як в збудженому, так і в незбудженому квантових станах, розподілених на відносно великі відстані всередині рослини, що дозволяє збудженим світлом електронам знаходити найбільш ефективний шлях від молекул, де світло захоплюється, до різних молекул, де корисна енергія для заводу створено.

Еволюція, у своєму невпинному прагненні створити найбільш енергоефективні форми життя, схоже, ігнорувала віру фізиків, що корисні квантові ефекти не можуть відбуватися в теплих, вологих середовищах біології.

Відкриття квантових ефектів у біології рослин породило абсолютно нову галузь науки, яка отримала назву квантової біології. За останні кілька років квантові біологи виявили докази квантово-механічних властивостей сприйняття магнітного поля в очах деяких птахів (що дозволяє птахам орієнтуватися під час міграції) та активації рецепторів запаху у людей. Дослідники бачення також виявили, що фоторецептори в сітківці людини здатні генерувати електричні сигнали від захоплення єдиних квантів світлової енергії.

Чи еволюція також зробила наш мозок гіперефективною при виробленні корисної енергії або передачі та зберіганні інформації серед нейронів за допомогою квантових ефектів, таких як суперпозиція та заплутаність?

Неврологи перебувають на самому початку дослідження цієї можливості, але я, насамперед, в захваті від зароджуваного поля квантової нейронауки, оскільки це може призвести до проривів у розумінні мозку.

Я кажу це тому, що історія науки вчить нас, що найбільші прориви майже завжди походять від ідей, які до того, як відбудеться певний прорив, звучать неймовірно дивно. Відкриття Ейнштейна про те, що простір і час - це насправді одне і те ж (загальна теорія відносності) - один із прикладів, відкриття Дарвіна про те, що люди еволюціонували з більш примітивних форм життя, - інший. І, звичайно, відкриття квантової механіки Планком, Ейнштейном та Бором - це ще одне.

Все це натякає на те, що ідеї завтрашньої гри, що змінюють досягнення неврології, сьогодні здадуться більшості людей вкрай неортодоксальними та неймовірними.

Тепер те, що квантова біологія в мозку звучить дивно і неймовірно, не автоматично визначає її як джерело чергового гігантського стрибка вперед у галузі неврології. Але я здогадуюсь, що глибше розуміння квантових ефектів у живих системах дасть важливе нове уявлення про наш мозок та нервову систему, якщо ні з якої іншої причини, що прийняття квантової точки зору змусить неврологів шукати відповіді у дивних і чудові місця, які вони ніколи раніше не розглядали.

І коли слідчі розглядають ці дивні та дивовижні явища, ці явища можуть, як їхні заплутані двоюрідні брати у фізиці частинок, озирнутися на них!