Γιατί πρέπει να ενδιαφέρεστε για την κβαντική νευροεπιστήμη

Σε περίπτωση που δεν το έχετε ακούσει, η κβαντική επιστήμη είναι πλέον καυτή τώρα, με ενθουσιασμένη συζήτηση για αδιανόητα ισχυρούς κβαντικούς υπολογιστές, εξαιρετικά αποτελεσματική κβαντική επικοινωνία και αδιαπέραστη ασφάλεια στον κυβερνοχώρο μέσω κβαντικής κρυπτογράφησης.

Γιατί όλη η διαφημιστική εκστρατεία;

Με απλά λόγια, η κβαντική επιστήμη υπόσχεται τεράστια βήματα προς τα εμπρός αντί για τα βήματα του μωρού που έχουμε συνηθίσει μέσω της καθημερινής επιστήμης. Η καθημερινή επιστήμη, για παράδειγμα, μας δίνει νέους υπολογιστές που διπλασιάζονται κάθε 2-3 χρόνια, ενώ η κβαντική επιστήμη υπόσχεται υπολογιστές με πολλούς τρισεκατομμύρια φορές περισσότερη ισχύ από τον πιο μυώδη υπολογιστή που διατίθεται σήμερα.

Με άλλα λόγια, η κβαντική επιστήμη, εάν είναι επιτυχής, θα προκαλέσει μια σεισμική μετατόπιση της τεχνολογίας που θα αναμορφώσει τον κόσμο όπως τον γνωρίζουμε, με ακόμη πιο βαθύ τρόπο από ό, τι το Διαδίκτυο ή τα smartphone.

Οι συναρπαστικές δυνατότητες της κβαντικής επιστήμης προκύπτουν από μια απλή αλήθεια: τα κβαντικά φαινόμενα παραβιάζουν εντελώς τους κανόνες που περιορίζουν τα «κλασικά» (κανονικά) φαινόμενα που μπορούν να επιτύχουν.

Δύο παραδείγματα όπου η κβαντική επιστήμη καθιστά αυτό που ήταν αδύνατο ξαφνικά δυνατό, είναι η κβαντική υπέρθεση και η κβαντική εμπλοκή.

Ας αντιμετωπίσουμε πρώτα την κβαντική υπέρθεση.

Στον κανονικό κόσμο, ένα αντικείμενο όπως το μπέιζμπολ μπορεί να βρίσκεται μόνο σε ένα μέρος κάθε φορά. Αλλά στον κβαντικό κόσμο, ένα σωματίδιο όπως ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να καταλάβει έναν άπειρο αριθμό θέσεων Την ίδια στιγμή, υπάρχει σε αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν υπέρθεση πολλαπλών καταστάσεων. Έτσι, στον κβαντικό κόσμο, ένα πράγμα συμπεριφέρεται μερικές φορές όπως πολλά διαφορετικά πράγματα.

Τώρα ας εξετάσουμε την κβαντική εμπλοκή επεκτείνοντας λίγο την αναλογία του μπέιζμπολ. Στον κανονικό κόσμο δύο μπέιζμπολ που κάθονται σε σκοτεινά ντουλάπια σε μεγάλα στάδια πρωταθλήματος στο Λος Άντζελες και τη Βοστώνη είναι εντελώς ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, έτσι ώστε αν ανοίξατε ένα από τα ερμάρια αποθήκευσης για να κοιτάξετε ένα μπέιζμπολ, απολύτως τίποτα δεν θα συνέβαινε στο άλλο μπέιζμπολ σε ένα σκοτεινό ερμάριο 3.000 μίλια μακριά. Αλλά στον κβαντικό κόσμο, δύο μεμονωμένα σωματίδια, όπως τα φωτόνια μπορώ μπλέξατε, έτσι ώστε η απλή πράξη της ανίχνευσης ενός φωτονίου με έναν ανιχνευτή να αναγκάζει στιγμιαία το άλλο φωτόνιο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά, να αναλάβει μια συγκεκριμένη κατάσταση.

Αυτή η εμπλοκή σημαίνει ότι στο κβαντικό σύμπαν, πολλές ξεχωριστές οντότητες μπορούν μερικές φορές να συμπεριφέρονται ως μια ενιαία οντότητα, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι οι ξεχωριστές οντότητες.

Αυτό θα ισοδυναμούσε με την αλλαγή της κατάστασης ενός μπέιζμπολ - ας πούμε, αναγκάζοντάς το να βρίσκεται στο πάνω ράφι εναντίον του κάτω χώρου αποθήκευσης - απλά ανοίγοντας ένα ντουλάπι αποθήκευσης 3.000 μίλια μακριά και κοιτάζοντας εντελώς διαφορετικός μπέιζμπολ.

Αυτές οι «αδύνατες» συμπεριφορές κάνουν τις κβαντικές οντότητες ιδανικές για να κάνουν το αδύνατο, για παράδειγμα, με υπολογιστές. Σε κανονικούς υπολογιστές, ένα αποθηκευμένο bit πληροφοριών είναι είτε μηδέν είτε ένα, αλλά σε έναν κβαντικό υπολογιστή ένα αποθηκευμένο bit, που ονομάζεται Qubit (κβαντικό bit), είναι ταυτόχρονα μηδέν και ένα ταυτόχρονα. Έτσι, όπου μια απλή μνήμη 8 bit μπορεί να περιέχει οποιονδήποτε μεμονωμένο αριθμό από 0 έως 255 (2 ^ 8 = 256), μια μνήμη 8 Qubits μπορεί να αποθηκεύσει 2 ^ 8 = 256 ξεχωριστοί αριθμοί Ολα μαζί! Η ικανότητα αποθήκευσης εκθετικά περισσότερων πληροφοριών είναι γιατί οι κβαντικοί υπολογιστές υπόσχονται ένα κβαντικό άλμα στη δύναμη επεξεργασίας.

Στο παραπάνω παράδειγμα, μια μνήμη 8 bit σε έναν κβαντικό υπολογιστή αποθηκεύει 256 αριθμούς μεταξύ 0 και 255 ταυτόχρονα, ενώ μια μνήμη 8 bit σε έναν συνηθισμένο υπολογιστή αποθηκεύει μόνο 1 αριθμό μεταξύ 0 και 255 κάθε φορά. Τώρα φανταστείτε μια κβαντική μνήμη 24 bit (2 ^ 24 = 16,777,216) με μόνο 3 φορές περισσότερα Qubits από την πρώτη μας μνήμη: θα μπορούσε να αποθηκεύσει ένα επιβλητικό 16.777.216 διαφορετικοί αριθμοί ταυτόχρονα!

Αυτό μας φέρνει στη διασταύρωση της κβαντικής επιστήμης και της νευροβιολογίας. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος είναι ένας πολύ πιο ισχυρός επεξεργαστής από οποιονδήποτε υπολογιστή που είναι διαθέσιμος σήμερα: επιτυγχάνει κάποια από αυτήν την τρομερή δύναμη αξιοποιώντας την κβαντική περίεργη κατάσταση με τον ίδιο τρόπο που κάνουν οι κβαντικοί υπολογιστές;

Μέχρι πολύ πρόσφατα, η απάντηση των φυσικών σε αυτό το ερώτημα ήταν ένα ηχηρό «Όχι».

Τα κβαντικά φαινόμενα όπως η υπέρθεση βασίζονται στην απομόνωση αυτών των φαινομένων από το περιβάλλον περιβάλλον, ιδιαίτερα τη θερμότητα στο περιβάλλον που θέτει τα σωματίδια σε κίνηση, αναστατώνοντας τον υπερ-ευαίσθητο κβαντικό οίκο των καρτών υπέρθεσης και αναγκάζοντας ένα συγκεκριμένο σωματίδιο να καταλάβει είτε το σημείο Α είτε το σημείο Β , αλλά ποτέ και τα δύο ταυτόχρονα.

Έτσι, όταν οι επιστήμονες μελετούν τα κβαντικά φαινόμενα, προσπαθούν να απομονώσουν το υλικό που μελετούν από το περιβάλλον, συνήθως μειώνοντας τη θερμοκρασία στα πειράματά τους στο σχεδόν απόλυτο μηδέν.

Όμως, από τον κόσμο της φυτολογίας των φυτών υπάρχουν στοιχεία ότι ορισμένες βιολογικές διεργασίες που βασίζονται στην κβαντική υπέρθεση συμβαίνουν σε κανονικές θερμοκρασίες, αυξάνοντας την πιθανότητα ότι ένας φανταστικά παράξενος κόσμος κβαντικής μηχανικής μπορεί πράγματι να εισβάλει στην καθημερινή λειτουργία άλλων βιολογικών συστημάτων, όπως το νευρικά συστήματα.

Για παράδειγμα, τον Μάιο του 2018, μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο του Γκρόνινγκεν, η οποία περιελάμβανε τον φυσικό Thomas la Cour Jansen, βρήκε στοιχεία ότι τα φυτά και ορισμένα φωτοσυνθετικά βακτήρια επιτυγχάνουν σχεδόν 100% απόδοση μετατρέποντας το ηλιακό φως σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια εκμεταλλευόμενοι το γεγονός ότι η απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας προκαλεί ορισμένα ηλεκτρόνια Μόρια που συλλαμβάνουν το φως να υπάρχουν ταυτόχρονα και σε διεγερμένες και σε μη διεγερμένες κβαντικές καταστάσεις που απλώνονται σε σχετικά μεγάλες αποστάσεις εντός του φυτού, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια που διεγείρονται από το φως να βρουν την πιο αποτελεσματική διαδρομή από τα μόρια όπου το φως συλλαμβάνεται σε διαφορετικά μόρια όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το φυτό έχει δημιουργηθεί.

Η εξέλιξη, στην αδιάκοπη προσπάθειά της να κατασκευάσει τις πιο ενεργειακά αποδοτικές μορφές ζωής, φαίνεται να αγνόησε την πεποίθηση των φυσικών ότι δεν μπορούν να συμβούν χρήσιμα κβαντικά αποτελέσματα στο ζεστό, υγρό περιβάλλον της βιολογίας.

Η ανακάλυψη των κβαντικών επιδράσεων στη βιολογία των φυτών έχει οδηγήσει σε ένα εντελώς νέο πεδίο της επιστήμης που ονομάζεται κβαντική βιολογία. Τα τελευταία χρόνια, οι κβαντικοί βιολόγοι έχουν ανακαλύψει ενδείξεις κβαντικών μηχανικών ιδιοτήτων στην αντίληψη του μαγνητικού πεδίου στα μάτια ορισμένων πουλιών (επιτρέποντας στα πτηνά να πλοηγηθούν κατά τη μετανάστευση) και στην ενεργοποίηση των υποδοχέων μυρωδιάς στους ανθρώπους. Οι ερευνητές της όρασης ανακάλυψαν επίσης ότι οι φωτοϋποδοχείς στον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή είναι σε θέση να παράγουν ηλεκτρικά σήματα από τη δέσμευση ενός μόνο κβαντικού φωτός ενέργειας.

Μήπως η εξέλιξη έκανε τους εγκεφάλους μας υπερβολικά αποδοτικούς στην παραγωγή χρήσιμης ενέργειας ή στη μετάδοση και αποθήκευση πληροφοριών μεταξύ των νευρώνων χρησιμοποιώντας κβαντικά αποτελέσματα όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή;

Οι νευροεπιστήμονες βρίσκονται στην αρχή της διερεύνησης αυτής της πιθανότητας, αλλά εγώ είμαι ενθουσιασμένος για το νεοσυσταθέν πεδίο της κβαντικής νευροεπιστήμης, επειδή θα μπορούσε να οδηγήσει σε εντυπωσιακές ανακαλύψεις στην κατανόηση του εγκεφάλου.

Το λέω αυτό γιατί η ιστορία της επιστήμης μάς διδάσκει ότι οι μεγαλύτερες ανακαλύψεις προέρχονται σχεδόν πάντα από ιδέες που, προτού συμβεί μια συγκεκριμένη ανακάλυψη, ακούγονται απίστευτα περίεργες. Η ανακάλυψη του Αϊνστάιν ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι πραγματικά το ίδιο πράγμα (γενική σχετικότητα) είναι ένα παράδειγμα, η ανακάλυψη του Δαρβίνου ότι οι άνθρωποι εξελίχθηκαν από πιο πρωτόγονες μορφές ζωής, είναι μια άλλη. Και φυσικά, η ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής από τον Planck, τον Einstein και τον Bohr, είναι ακόμη μια άλλη.

Όλα αυτά υπονοούν έντονα ότι οι ιδέες πίσω από το αυριανό παιχνίδι αλλάζουν την πρόοδο στη νευροεπιστήμη, σήμερα φαίνεται ότι οι περισσότεροι άνθρωποι είναι εξαιρετικά ανορθόδοξοι και απίθανοι.

Τώρα, μόνο και μόνο επειδή η κβαντική βιολογία στον εγκέφαλο ακούγεται περίεργο και απίθανο, δεν το χαρακτηρίζει αυτόματα ως την πηγή του επόμενου γιγαντιαίου άλματος προς τα εμπρός στη νευροεπιστήμη. Αλλά έχω την εντύπωση ότι μια βαθύτερη κατανόηση των κβαντικών επιδράσεων στα συστήματα διαβίωσης θα δώσει σημαντικές νέες γνώσεις σχετικά με τον εγκέφαλό μας και τα νευρικά μας συστήματα, εάν δεν υπάρχει άλλος λόγος, ότι η υιοθέτηση μιας κβαντικής άποψης θα κάνει τους νευροεπιστήμονες να αναζητήσουν απαντήσεις με παράξενα και υπέροχα μέρη που ποτέ δεν σκέφτηκαν να διερευνήσουν.

Και όταν οι ερευνητές εξετάζουν αυτά τα παράξενα και θαυμάσια φαινόμενα, αυτά τα φαινόμενα, μπορεί, όπως και τα ξαδέλφια τους που εμπλέκονται στη φυσική των σωματιδίων, να τα κοιτάξουν πίσω!