Είναι ο ανθρώπινος εγκέφαλος ένας κβαντικός υπολογιστής;

Κβαντική Μαγεία

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικούς επεξεργαστές που χρησιμοποιούν στοιχειώδη σωματίδια όπως νετρόνια, ηλεκτρόνια και/ή άτομα αντί για ολοκληρωμένα κυκλώματα και τρανζίστορ όπως οι κλασικοί επεξεργαστές. Δύο από τις πιο «τρελές και μαγικές» ιδιότητες που έχουν αυτά τα σωματίδια περιλαμβάνουν τις ακόλουθες:

• Πρώτον, κατά κάποιο τρόπο «συνδέονται» συνεχώς με άλλα σωματίδια που μπλέκονται μαζί του μετά από κάποια αλληλεπίδραση. Για παράδειγμα, όταν το σπιν ενός σωματιδίου μετριέται σε κατάσταση «πάνω», το άλλο σωματίδιο, ακόμα κι αν ήταν πολύ μακριά, θα βρισκόταν αμέσως (δηλαδή πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός) στην αντίθετη «κάτω» κατάσταση. Μεγάλες συλλογές μπερδεμένων σωματιδίων (αν υπήρχαν στον εγκέφαλο) θα μπορούσαν επομένως να συμπεριφέρονται με «ενορχηστρωμένο» ή συντονισμένο τρόπο σε μεγάλες αποστάσεις.

• Δεύτερον, υπάρχουν σε μια υπέρθεση καταστάσεων πριν από οποιαδήποτε μέτρηση. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα ή να περιστρέφεται πάνω και κάτω ταυτόχρονα. Όταν μετρηθούν, ωστόσο, θα βρίσκονται σε ένα συγκεκριμένο ενεργειακό επίπεδο ή κατεύθυνση σπιν – λέμε ότι έχουν «καταρρεύσει» σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Όταν χρησιμοποιούμε κλασικούς επεξεργαστές, εκχωρούμε ένα συγκεκριμένο “1” ή “0” σε ένα bit. Σε έναν κβαντικό επεξεργαστή, θα μπορούσαμε να αντιστοιχίσουμε το “1” στην κατάσταση spin-down και το “0” στην κατάσταση spin-up, ας πούμε, ενός ηλεκτρονίου. Ωστόσο, μέχρι να μετρήσουμε την κατάσταση, θα είναι “1” και “0” ταυτόχρονα – όπως ένα νόμισμα που περιστρέφεται δεν είναι ούτε “κεφάλια” ούτε “ουρά” όταν περιστρέφεται. Ως εκ τούτου, ένα κβαντικό bit ή “qubit” μπορεί να αντιπροσωπεύει το “1” ΚΑΙ το “0” ταυτόχρονα, σε αντίθεση με το “bit” του κλασικού επεξεργαστή που μπορεί να αντιπροσωπεύει μόνο “1” Ή “0” σε μια χρονική στιγμή. Το bit είναι δυαδικό και μοιάζει με σημείο, αλλά το qubit είναι “διαστημικό” και “ασαφές”. Αυτό επιτρέπει την παράλληλη επεξεργασία πολλών περισσότερων πληροφοριών, εκμεταλλευόμενοι την ιδιότητα των υπερθέσεων. Ένα “bit” αντιπροσωπεύει είτε το 1 είτε το 0 σε μια χρονική στιγμή, ενώ ένα “qubit” μπορεί να αντιπροσωπεύει και τα δύο ταυτόχρονα.1

Σε διάφορα φυσικά χαρακτηριστικά στοιχειωδών σωματιδίων μπορούν να αποδοθούν τα “1” και “0”. Για παράδειγμα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις καταστάσεις spin-up ή spin-down του πυρήνα ενός ατόμου, τα διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα ηλεκτρονίων σε ένα άτομο ή ακόμα και τον προσανατολισμό του επιπέδου πόλωσης των σωματιδίων του φωτός ή των φωτονίων.

Κβαντικοί υπολογιστές με χρήση ατόμων φωσφόρου

Το 2013, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής Αυστραλούς μηχανικούς από το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας (UNSW) δημιούργησε το πρώτο κβαντικό δυαδικό ψηφίο εργασίας που βασίζεται στην περιστροφή του πυρήνα ενός μόνο ατόμου φωσφόρου μέσα σε μια προστατευτική κλίνη από μη μαγνητικά άτομα πυριτίου με μηδέν γνέθω. Σε μια πρωτοποριακή εργασία στο περιοδικό Nature, ανέφεραν υψηλή ακρίβεια στη γραφή και την ανάγνωση κβαντικών πληροφοριών χρησιμοποιώντας το πυρηνικό σπιν. 2

Καθώς ο πυρήνας ενός ατόμου φωσφόρου έχει πολύ ασθενές μαγνητικό πεδίο και έχει τον χαμηλότερο αριθμό σπιν ½ (που σημαίνει ότι είναι λιγότερο ευαίσθητος στα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία), είναι σχεδόν ανοσία σε μαγνητικό θόρυβο ή ηλεκτρικές παρεμβολές από το περιβάλλον. Είναι περαιτέρω “θωρακισμένο” από το θόρυβο από το περιβάλλον στρώμα ατόμων πυριτίου μηδενικής περιστροφής. Κατά συνέπεια, το πυρηνικό σπιν έχει μεγαλύτερο χρόνο συνοχής επιτρέποντας την αποθήκευση πληροφοριών σε αυτό για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα πολύ υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας.

“Ο πυρήνας του ατόμου του φωσφόρου περιέχει ένα πυρηνικό σπιν, το οποίο θα μπορούσε να λειτουργήσει ως εξαιρετικό qubit αποθήκευσης μνήμης χάρη στην πολύ ασθενή ευαισθησία του στον θόρυβο που υπάρχει στο περιβάλλον”.

Andrew Zurak, αναφορά για το έργο της ομάδας UNSW, 3

Το 2014, μια άλλη ομάδα (αυτή τη φορά μια συνεργασία Ολλανδίας-ΗΠΑ) χρησιμοποίησε τις πυρηνικές περιστροφές ατόμων φωσφόρου στον κβαντικό υπολογισμό για να επιτύχει ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια 99,99% και μεγαλύτερο χρόνο συνοχής άνω των 35 δευτερολέπτων. 4,5

Κβαντικοί υπολογιστές στα κεφάλια μας;

Λοιπόν, τι σχέση έχουν όλα αυτά με τον εγκέφαλό μας; Υπάρχουν πολλά παραδείγματα στην κβαντική βιολογία όπου υπάρχουν υποψίες για κβαντική επεξεργασία. Για παράδειγμα, υπάρχουν στοιχεία ότι τα πουλιά χρησιμοποιούν κβαντικές διεργασίες στον αμφιβληστροειδή τους για να πλοηγηθούν σε όλη την υδρόγειο και ότι η φωτοσύνθεση προχωρά πιο αποτελεσματικά επιτυγχάνοντας μακρόβιες συνεκτικές κβαντικές καταστάσεις. Έχει επίσης παρατηρηθεί ότι η ανθρώπινη όσφρηση και ορισμένες πτυχές της ανθρώπινης όρασης θα απαιτούσαν κβαντική επεξεργασία για να συμβεί. Έτσι, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι πρέπει να αναζητούμε κβαντική επεξεργασία στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Μία από τις πρώτες δημοφιλείς υποθέσεις προτάθηκε από τον Roger Penrose, τον διακεκριμένο φυσικό, και τον Stuart Hammeroff, έναν αναισθησιολόγο. Υπέθεσαν ότι η κβαντική επεξεργασία θα μπορούσε να λάβει χώρα στους μικροσωληνίσκους των νευρώνων.6 Ωστόσο, οι περισσότεροι επιστήμονες ήταν επιφυλακτικοί καθώς ο εγκέφαλος θεωρούνταν ένα ζεστό, υγρό και θορυβώδες περιβάλλον όπου η κβαντική συνοχή, η οποία συνήθως εμφανίζεται σε εξαιρετικά απομονωμένα περιβάλλοντα και χαμηλές θερμοκρασίες, θα είναι αδύνατο να επιτευχθεί. Ούτε ο Penrose ούτε ο Hammeroff έχουν δώσει ικανοποιητική απάντηση σε αυτή την κριτική της θεωρίας τους. Ωστόσο, υπήρξαν πρόσφατες ανακαλύψεις στην επέκταση των χρόνων συνοχής και ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο σπεύδουν να επεκτείνουν τους χρόνους συνοχής σε θερμοκρασίες δωματίου με κάποια επιτυχία.7,8 Έτσι, η κριτική επιτροπή εξακολουθεί να είναι έξω από τη θεωρία Penrose-Hammeroff.

Πρωτοποριακές ιδέες του Fisher

Πιο πρόσφατα, το 2015, ο Matthew Fisher, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, παρήγαγε ένα μοντέλο όπου οι πυρηνικές περιστροφές σε άτομα φωσφόρου μπορούν να χρησιμεύσουν ως qubits. Αυτό το μοντέλο μοιάζει πολύ με αυτό που συζητήθηκε στην προηγούμενη ενότητα στο ότι αναπτύχθηκε σε εργαστηριακό περιβάλλον. η εξαίρεση είναι ότι αυτή τη φορά εφαρμόστηκε στον ανθρώπινο εγκέφαλο, όπου ο φώσφορος είναι άφθονο.9

«Μπορεί εμείς οι ίδιοι να είμαστε κβαντικοί υπολογιστές, αντί απλά έξυπνα ρομπότ που σχεδιάζουν και κατασκευάζουν κβαντικούς υπολογιστές;»

Μάθιου Φίσερ, 10

Ο Fisher έχει υποστηρίξει αρκετά πειστικά ότι οι περιστροφές των πυρήνων των ατόμων φωσφόρου μπορούν να απομονωθούν επαρκώς (από το προστατευτικό νέφος ηλεκτρονίων γύρω από αυτό και την προστατευτική ασπίδα μιας κλίνης με άτομα μηδενικού σπιν) και επίσης να αποσπαστούν λιγότερο από τον κβαντικό θόρυβο. Το ασθενές μαγνητικό του πεδίο (λόγω του χαμηλού αριθμού σπιν του), επιτρέποντάς του έτσι να διατηρήσει την κβαντική συνοχή. (Οι εργαστηριακές μελέτες που συζητήθηκαν στην προηγούμενη ενότητα και τα πειραματικά αποτελέσματα έχουν επαληθεύσει και επιβεβαιώσει αυτό το γεγονός.) Έτσι, σε ένα περιβάλλον όπως ο εγκέφαλος όπου αφθονούν τα ηλεκτρικά πεδία, οι πυρήνες των ατόμων φωσφόρου θα βρίσκονται σε ένα αρκετά απομονωμένο περιβάλλον.

Η διαδικασία ξεκινά στο κύτταρο με μια χημική ένωση που ονομάζεται πυροφωσφορικό. Αποτελείται από δύο φωσφορικά άλατα συνδεδεμένα μεταξύ τους – το καθένα αποτελείται από ένα άτομο φωσφόρου που περιβάλλεται από πολλαπλά άτομα οξυγόνου με μηδενικό σπιν (μια παρόμοια κατάσταση με αυτή της εργαστηριακής μελέτης που συζητήθηκε παραπάνω, όπου το άτομο φωσφόρου ήταν φωλιασμένο μέσα σε άτομα πυριτίου με μηδενικό σπιν). Η αλληλεπίδραση μεταξύ των περιστροφών των φωσφορικών αλάτων προκαλεί εμπλοκή τους. Μία από τις διαμορφώσεις που προκύπτουν έχει ως αποτέλεσμα ένα μηδενικό σπιν ή μια κατάσταση “μονής” μέγιστης εμπλοκής. Έπειτα τα ένζυμα διασπούν τα εμπλεκόμενα φωσφορικά άλατα σε δύο ελεύθερα φωσφορικά ιόντα, τα οποία συνεχίζουν να εμπλέκονται ενώ απομακρύνονται. Αυτά τα μπερδεμένα φωσφορικά άλατα στη συνέχεια συνδυάζονται χωριστά με ιόντα ασβεστίου και άτομα οξυγόνου για να γίνουν μόρια Posner, όπως φαίνεται παρακάτω.

Αυτά τα συμπλέγματα παρέχουν πρόσθετη «θωράκιση» στα μπερδεμένα ζεύγη από εξωτερικές παρεμβολές, έτσι ώστε να μπορούν να διατηρήσουν τη συνοχή για πολύ μεγαλύτερες χρονικές περιόδους σε μεγάλες αποστάσεις στον εγκέφαλο. Όταν ο Fisher υπολόγισε τον χρόνο συνοχής για αυτά τα μόρια, βγήκε ως απίστευτα 105 δευτερόλεπτα – μια ολόκληρη μέρα.12

Ποιο είναι το επόμενο?

Αν και ο Fisher δεν φαίνεται να διευκρινίζει με καμία λεπτομέρεια τι θα συμβεί στη συνέχεια – κάτι που είναι σημαντικό αν θέλουμε να έχουμε τη συνολική εικόνα – αυτός ο συγγραφέας θα προσπαθήσει να το κάνει. Οι πολυάριθμοι μπερδεμένοι πυρήνες των ατόμων φωσφόρου (μέσα στα μόρια Posner) θα απλώνονταν σε μια ευρεία περιοχή στον εγκέφαλο. Θα βρίσκονταν σε μια υπερτιθέμενη κατάσταση, θα υπήρχαν ως κύματα, για κάποιο χρονικό διάστημα πριν καταρρεύσουν. Όταν συμβεί η κατάρρευση, τα ηλεκτρόνια στο άτομο ανταποκρίνονται. Τα ηλεκτρόνια καθορίζουν τις χημικές ιδιότητες των ατόμων. Έτσι, η κατάρρευση προκαλεί αλλαγή των χημικών ιδιοτήτων των ατόμων του φωσφόρου, με αποτέλεσμα έναν καταρράκτη χημικών αντιδράσεων που στέλνουν έναν καταρράκτη νευροδιαβιβαστών στις συνάψεις των νευρώνων. Το συρμό των ηλεκτροχημικών σημάτων στη συνέχεια ενσωματώνεται για να σχηματίσει μια αντίληψη, η οποία ερμηνεύεται με βάση τις εμπειρίες ζωής του ατόμου.

Αυτό επιλύει ένα μακροχρόνιο ερώτημα στη νευροεπιστήμη που έχει μπερδέψει τους επιστήμονες: Πώς μπορεί ο εγκέφαλος να ενσωματώσει πληροφορίες από διάφορα μέρη του εγκεφάλου για να σχηματίσει μια συνεκτική αντίληψη; Ίσως με τον “μηχανισμό του Fisher” (ένας όρος που έχει πρόσφατα κοπεί από αυτόν τον συγγραφέα), μια ταυτόχρονη κατάρρευση των πυρηνικών περιστροφών εμπλεκόμενων ατόμων φωσφόρου σε διάφορα στρώματα και μέρη του εγκεφάλου θα μπορούσε να είναι η απάντηση.

Περιορισμοί

Ο πιο προφανής περιορισμός είναι ότι επί του παρόντος οι ιδέες του Fisher δεν έχουν υποβληθεί σε ενδελεχή δοκιμή, αν και ορισμένες πτυχές (για παράδειγμα, ο μεγαλύτερος χρόνος συνοχής των ατόμων φωσφόρου) έχουν ήδη δοκιμαστεί στο εργαστήριο. Ωστόσο, υπάρχουν σχέδια για να γίνει αυτό. Η πρώτη δοκιμή θα είναι αν υπάρχουν μόρια Posner στα εξωκυττάρια υγρά και αν θα μπορούσαν να εμπλακούν. Ο Fisher προτείνει τη δοκιμή αυτού στο εργαστήριο προκαλώντας χημικές αντιδράσεις για να μπερδέψουν τα πυρηνικά σπιν φωσφόρου, μετά χύνοντας το διάλυμα σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες και αναζητώντας κβαντικές συσχετίσεις στο φως που εκπέμπεται.12

Ο Roger Penrose πιστεύει ότι ο μηχανισμός του Fisher μπορεί να βοηθήσει μόνο στην εξήγηση της μακροπρόθεσμης μνήμης, αλλά μπορεί να μην είναι επαρκής για να εξηγήσει τη συνείδηση.12 Πιστεύει ότι η σύνθεση των μικροσωληνίσκων Penrose-Hammeroff, που λέει ότι είναι πιο μαζικοί από τους πυρήνες, είναι μια πιο ισχυρή εξήγηση. για το σκοπό αυτό, αν και οι περισσότεροι επιστήμονες είναι δύσπιστοι. Θα ήταν ενδιαφέρον εάν μόρια Posner (με μπερδεμένα σωματίδια) βρεθούν σε αυτούς τους μικροσωληνίσκους – τότε και οι δύο υποθέσεις Fisher και Penrose-Hammeroff θα ήταν τουλάχιστον εν μέρει σωστές. (Σε όλους αρέσει το αίσιο τέλος!)

Με λίγα λόγια

1. Έχει αποδειχθεί στο εργαστήριο ότι ο κβαντικός υπολογισμός με απομονωμένα και θωρακισμένα άτομα φωσφόρου έχει ως αποτέλεσμα αποτελέσματα υψηλής ακρίβειας και μεγαλύτερους χρόνους συνοχής.

2. Ο φώσφορος είναι άφθονος στον εγκέφαλο.

3. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος (και ίσως ο εγκέφαλος άλλων ζώων) μπορεί να χρησιμοποιεί τα πυρηνικά σπιν των ατόμων φωσφόρου ως qubits για να πραγματοποιήσει κβαντικούς υπολογισμούς.

Αναφορά

1. Εικόνα: Zhang, J. (2019, 28 Σεπτεμβρίου). Τι κάνει τον κβαντικό υπολογιστή ξεχωριστό; Medium.com.

2. Pla, J., Tan, K., Dehollain, J., Lim, W., Morton, J., Zwanenburg, F., Jamieson, D., Dzurak, A., & Morello, A. (2013) . Υψηλής πιστότητας ανάγνωση και έλεγχος ενός qubit πυρηνικής περιστροφής σε πυρίτιο. Nature, 496(7445), 334-338.

3. Dzurak, A. (2014, Oct 15). Τα Qubits πυριτίου θα μπορούσαν να είναι το κλειδί για μια κβαντική επανάσταση, SciTech Daily.

4. Muhonen, J., Dehollain, J., Laucht, A., Hudson, F., Kalra, R., Sekiguchi, T., Itoh, K., Jamieson, D., McCallum, J., Dzurak, A ., & Morello, A. (2014). Αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών για 30 δευτερόλεπτα σε μια νανοηλεκτρονική συσκευή. Nature Nanotechnology, 9(12), 986-991.

5. Veldhorst, M., Hwang, J., Yang, C., Leenstra, A., de Ronde, B., Dehollain, J., Muhonen, J., Hudson, F., Itoh, K., Morello, A., & Dzurak, A. (2014). Ένα διευθυνσιοδοτούμενο quantum dot qubit με ανεκτικό σε σφάλματα έλεγχο-πιστότητα. Nature Nanotechnology, 9(12), 981-985.

6. Hameroff, S., & Penrose, R. (2014). Η συνείδηση ​​στο σύμπαν. Physics of Life Reviews, 11(1), 39-78.

7. Herbschleb, E., Kato, H., Maruyama, Y., Danjo, T., Makino, T., Yamasaki, S., Ohki, I., Hayashi, K., Morishita, H., Fujiwara, M ., & Mizuochi, N. (2019). Εξαιρετικά μεγάλοι χρόνοι συνοχής μεταξύ περιστροφών στερεάς κατάστασης σε θερμοκρασία δωματίου. Nature Communications, 10(1), 3766.

8. Miao, K., Blanton, J., Anderson, C., Bourassa, A., Crook, A., Wolfowicz, G., Abe, H., Ohshima, T., & Awschalom, D. (2020) . Καθολική προστασία συνοχής σε ένα qubit περιστροφής στερεάς κατάστασης. Science, eabc5186.

9. Fisher, MPA (2015). Κβαντική γνώση: Η δυνατότητα επεξεργασίας με πυρηνικά σπιν στον εγκέφαλο. Annals of Physics, 362, 593-602.

10. Fernandes, S. (2018, Mar 27) Are We Quantum Computers; Το ρεύμα (Επιστήμη + Τεχνολογία).

11. Swift, M., Van de Walle, C., & Fisher, M. (2018). Μόρια Posner: από την ατομική δομή έως τα πυρηνικά σπιν. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(18), 12373-12380.

12. Brooks, M. (2015, 15 Δεκεμβρίου). Είναι η κβαντική φυσική πίσω από την ικανότητα του εγκεφάλου σας να σκέφτεται; Νέος Επιστήμονας.

Σχολιάστε