Зашто би требало да бринете о квантној неурознаности

Ако нисте чули, квантна наука је тренутно усијана, уз узбуђени говор о незамисливо моћним квантним рачунарима, ултра ефикасној квантној комуникацији и непробојној сајбер безбедности путем квантне енкрипције.

Зашто сав тај хипе?

Једноставно речено, квантна наука обећава џиновске скокове напред уместо беби корака на које смо навикли свакодневном науком. На пример, свакодневна наука нам даје нове рачунаре који се удвостручују сваке 2-3 године, док квантна наука обећава рачунаре са много рачунара билијуни пута више снаге од најобичанијег рачунара који је данас доступан.

Другим речима, квантна наука, ако успе, произвешће сеизмички заокрет у технологији која ће преобликовати свет какав познајемо, на још дубљи начин него што су то учинили Интернет или паметни телефони.

Могућности квантне науке које одузимају дах произилазе из једне једноставне истине: квантни феномени у потпуности крше правила која ограничавају оно што „класични“ (нормални) феномени могу постићи.

Два примера када квантна наука чини оно што је некада било немогуће изненада је могуће, су квантна суперпозиција и квантно преплитање.

Прво се позабавимо квантном суперпозицијом.

У нормалном свету, објекат као што је бејзбол може истовремено бити само на једном месту. Али у квантном свету честица попут електрона може да заузме бесконачан број места истовремено, постоје у ономе што физичари називају суперпозицијом више стања. Дакле, у квантном свету се једна ствар понекад понаша као много различитих ствари.

Хајде сада да испитамо квантно заплетање тако што ћемо проширити аналогију бејзбола мало даље. У нормалном свету две бејзбол лопте које седе у тамним ормарићима на стадионима главних лига у Лос Ангелесу и Бостону потпуно су неовисне једна од друге, тако да ако отворите један од ормарића за одлагање како бисте погледали једну бејзбол, апсолутно се ништа не би догодило са другом бејзболом у мрачном ормару за складиштење удаљеном 3.000 миља. Али у квантном свету постоје две појединачне честице, попут фотона моћи бити заплетени, тако да пуки чин детектовања једног фотона тренутно присиљава други фотон, без обзира колико је удаљен, да заузме одређено стање.

Такво преплитање значи да се у квантном универзуму више различитих ентитета понекад може понашати као један ентитет, без обзира на то колико су различити ентитети међусобно удаљени.

То би било еквивалентно промени стања једне бејзбол лопте - рецимо, присиљавањем да буде на горњој и доњој полици ормарића за складиштење - једноставно отварањем ормарића за складиштење удаљеном 3.000 миља и гледањем у потпуно различит бејзбол.

Ова „немогућа“ понашања чине квантне ентитете идеалним за чињење немогућег са, на пример, рачунарима. У нормалним рачунарима сачувани бит информација је или нула или један, али у квантном рачунару ускладиштени бит, назван Кубит (квантни бит), истовремено је нула и један. Дакле, тамо где једноставно меморијско складиште од 8 битова може садржати било који појединачни број од 0 до 255 (2 ^ 8 = 256), меморија од 8 Кубита може сместити 2 ^ 8 = 256 одвојени бројеви све одједном! Способност складиштења експоненцијално више информација је разлог зашто квантни рачунари обећавају квантни скок у процесорској снази.

У горњем примеру, 8-битна меморија у квантном рачунару одједном чува 256 бројева између 0 и 255, док 8-битна меморија у обичном рачунару одједном чува само 1 број између 0 и 255. Сада замислите 24-битну квантну меморију (2 ^ 24 = 16,777,216) са само 3 пута више Кубит-а од наше прве меморије: она може да ускладишти огромну 16.777.216 различитих бројева одједном!

Што нас доводи до пресека квантне науке и неуробиологије. Људски мозак је далеко моћнији процесор од било ког рачунара који је данас доступан: да ли постиже нешто од ове запањујуће моћи тако што користи квантне необичности на исти начин на који то раде квантни рачунари?

Све до недавно, одговор физичара на то питање био је одлучан "Не".

Квантни феномени попут суперпозиције ослањају се на изолацију тих појава из околног окружења, посебно топлоте у околини која покреће честице, узнемирујући хиперделикатну квантну кућу карата суперпозиције и приморавајући одређену честицу да заузме тачку А или тачку Б , али никада обоје истовремено.

Дакле, када научници проучавају квантне појаве, они се увелико труде да изолују материјал који проучавају од околног окружења, обично снижавањем температуре у својим експериментима на скоро апсолутну нулу.

Али из света биљне физиологије све више се доказују да се неки биолошки процеси који се ослањају на квантну суперпозицију јављају при нормалним температурама, повећавајући могућност да незамисливо чудан свет квантне механике заиста може упасти у свакодневни рад других биолошких система, попут нашег нервни систем.

На пример, у мају 2018. истраживачки тим на Универзитету Гронинген у којем је био физичар Тхомас ла Цоур Јансен пронашао је доказе да биљке и неке фотосинтетске бактерије постижу скоро 100% ефикасност претварајући сунчеву светлост у корисну енергију искоришћавајући чињеницу да апсорпција сунчеве енергије узрокује неке електроне у молекули који хватају светлост истовремено постоје и у побуђеном и у неузбуђеном квантном стању распоређеном на релативно велике удаљености унутар биљке, омогућавајући светлима побуђеним електронима да пронађу најефикаснији пут од молекула где се светлост хвата до различитих молекула у којима се користи енергија јер је биљка створена.

Чини се да је еволуција, у својој неумољивој потрази за пројектовањем енергетски најефикаснијих облика живота, игнорисала уверење физичара да се корисни квантни ефекти не могу догодити у топлим, влажним окружењима биологије.

Откриће квантних ефеката у биљној биологији створило је потпуно ново поље науке звано квантна биологија. У последњих неколико година квантни биолози су открили доказе о квантно-механичким својствима у перцепцији магнетног поља у очима неких птица (омогућавајући птицама да се крећу током миграције) и о активирању рецептора мириса код људи. Истраживачи вида такође су открили да су фоторецептори у људској мрежњачи способни да генеришу електричне сигнале из хватања једне кванте светлосне енергије.

Да ли је еволуција такође учинила наш мозак хипер-ефикасним у стварању употребљиве енергије или преношењу и складиштењу информација међу неуронима користећи квантне ефекте као што су суперпозиција и заплетање?

Неурознанственици су на самом почетку испитивања ове могућности, али ја сам узбуђен због новонасталог поља квантне неуронауке, јер би то могло довести до продора у вилици у нашем разумевању мозга.

Кажем ово јер нас историја науке учи да највећи пробој готово увек долази од идеја које, пре него што се догоди одређени пробој, звуче невероватно чудно. Ајнштајново откриће да су простор и време заиста иста ствар (општа релативност) је један пример, а Дарвиново откриће да су људи еволуирали из примитивнијих облика живота је други. И наравно, Планково, Ајнштајново и Борово откриће квантне механике у првом реду је још једно.

Све то снажно имплицира да ће се идеја која стоји иза сутрашње игре која мења напредак у неуронауци данас већини људи чинити крајње неортодоксном и невероватном.

Сад, само зато што квантна биологија у мозгу звучи чудно и невероватно, не аутоматски је квалификује као извор следећег гигантског скока напред у неуронауци. Али, предосећам да ће дубље разумевање квантних ефеката у живим системима дати важне нове увиде о нашем мозгу и нервном систему, ако ни због чега другог, да ће усвајање квантног гледишта довести до тога да неурознанственици одговоре траже у чудним и дивна места која никада пре нису размишљала о истраживању.

А кад истражитељи истраже те чудне и чудесне појаве, ти би се феномени могли, попут њихових заплетених рођака у физици честица, осврнути на њих!