Ինչու պետք է հոգ տանել քվանտային նյարդաբանության մասին

Եթե ​​չեք լսել, քվանտային գիտությունն այժմ շիկացած է. Քվանտային գաղտնագրման միջոցով հուզիչ խոսակցություններ աներևակայելի հզոր քվանտային համակարգիչների, գերարդյունավետ քվանտային հաղորդակցության և անթափանց կիբերանվտանգության մասին:

Ինչու՞ բոլոր գովազդները:

Պարզ ասած, «Քվանտ» գիտությունը խոստանում է հսկայական թռիչքներ կատարել այն մանկական քայլերի փոխարեն, որոնց մենք սովոր ենք առօրյա գիտության միջոցով: Օրինակ ՝ ամենօրյա գիտությունը մեզ տալիս է նոր համակարգիչներ, որոնք 2-3 անգամ մեկ ուժը կրկնապատկում են, մինչդեռ քվանտային գիտությունը խոստանում է շատերի համակարգիչներ: տրիլիոն անգամ ավելի շատ ուժ, քան այսօր առկա ամենաբնույթ մկանային համակարգիչը:

Այլ կերպ ասած, քվանտային գիտությունը, եթե հաջող լինի, կստեղծի սեյսմիկ փոփոխություն տեխնոլոգիայի մեջ, որը կվերափոխի աշխարհը, ինչպես մենք գիտենք, նույնիսկ ավելի խորը ձևերով, քան դա անում էին ինտերնետը կամ սմարթֆոնները:

Քվանտային գիտության շնչառական հնարավորությունները բխում են մեկ պարզ ճշմարտությունից. Քվանտային երևույթները ամբողջովին խախտում են կանոնները, որոնք սահմանափակում են այն, ինչ «դասական» (նորմալ) երևույթները կարող են իրականացնել:

Երկու օրինակ, երբ քվանտային գիտությունը հանկարծ հնարավոր է դարձնում այն, ինչը նախկինում անհնար էր, քվանտային գերադասությունն ու քվանտային խճճվածությունն են:

Եկեք նախ լուծենք քվանտային գերադասությունը:

Նորմալ աշխարհում, բեյսբոլի նման առարկան միաժամանակ կարող է լինել միայն մեկ տեղում: Բայց քվանտային աշխարհում էլեկտրոնի նման մասնիկը կարող է անվերջ թվով տեղեր զբաղեցնել միեւնույն ժամանակ, գոյություն ունի այն բանում, ինչը ֆիզիկոսները անվանում են բազմաթիվ պետությունների գերադասություն: Այսպիսով, քվանտային աշխարհում մեկ բան երբեմն իրեն պահում է ինչպես շատ տարբեր իրեր:

Եկեք քննենք քվանտային խճճվածությունը ՝ բեյսբոլի անալոգիան մի փոքր ավելի երկարաձգելով: Նորմալ աշխարհում Լոս Անջելեսի և Բոստոնի խոշոր լիգայի մարզադաշտերում մութ պահարաններում նստած երկու բեյսբոլ լիովին անկախ են միմյանցից, այնպես, որ եթե պահեստի պահարաններից մեկը բացեիք ՝ մեկ բեյսբոլ նայելու համար, մյուս բեյսբոլի համար բացարձակապես ոչինչ չէր պատահի: 3000 մղոն հեռավորության վրա պահեստի մութ պահարանում: Բայց քվանտային աշխարհում երկու առանձին մասնիկներ, ինչպիսիք են ֆոտոնները կարող է խճճվել, այնպես, որ մեկ ֆոտոնը դետեկտորով զգալու ուղղակի գործողությունը միանգամից ստիպում է մյուս ֆոտոնը, որքան էլ որ այն հեռավոր լինի, ստանձնել որոշակի վիճակ:

Նման խճճվածությունը նշանակում է, որ քվանտային տիեզերքում բազմաթիվ տարբեր առարկաներ կարող են երբեմն վարվել որպես մեկ սուբյեկտ, անկախ նրանից, թե որքանով են առանձնացված տարատեսակները:

Սա համարժեք կլինի մեկ բեյսբոլի վիճակը փոխելու համարժեքին, ասենք, ստիպել, որ այն լինի պահեստի պահարանի վերևի և ներքեւի դարակի վրա, պարզապես 3000 մղոն հեռավորության վրա պահարանի պահարան բացելով և ամբողջովին նայելով տարբեր բեյսբոլ

Այս «անհնար» վարքագիծը քվանտային մարմիններին դարձնում է իդեալական անհնարինություն անելու համար, օրինակ, համակարգիչների հետ: Նորմալ համակարգիչներում տեղեկատվության պահված բիտը կամ զրո է, կամ մեկ, բայց քվանտային համակարգչում պահված բիթը, որը կոչվում է Qubit (քվանտային բիթ), միաժամանակ և՛ զրո է, և՛ մեկը: Այսպիսով, եթե 8 բիթանոց հիշողության պարզ պահոցը կարող է պարունակել ցանկացած անհատական ​​թիվ 0-ից 255 (2 ^ 8 = 256), 8 Qubits հիշողություն կարող է պահել 2 ^ 8 = 256 առանձին թվեր միանգամից Էքսպոնենտորեն ավելի շատ տեղեկատվություն պահելու կարողությունն այն է, թե ինչու են քվանտային համակարգիչները քվանտային թռիչք խոստանում մշակման հզորության մեջ:

Վերոնշյալ օրինակում, քվանտային համակարգչում 8 բիթ հիշողությունը միանգամից պահում է 256 թվեր 0-ից 255-ի միջև, իսկ սովորական համակարգչում 8 բիթանոց հիշողությունը միանգամից պահպանում է ընդամենը 1 թիվ 0-ից 255-ի միջակայքում: Հիմա պատկերացրեք 24 բիթանոց քվանտային հիշողություն (2 ^ 24 = 16,777,216), ընդամենը 3 անգամ ավելի Կուբիթով, քան մեր առաջին հիշողությունը. Այն կարող է պահել հսկայական Միանգամից 16,777,216 տարբեր թվեր:

Ինչը մեզ բերում է քվանտային գիտության և նեյրոկենսաբանության հատման: Մարդու ուղեղը շատ ավելի հզոր պրոցեսոր է, քան այսօր առկա ցանկացած համակարգիչ. Արդյո՞ք այն հասնում է այս հիանալի ուժի մի մասին ՝ օգտագործելով քվանտային տարօրինակությունները այնպես, ինչպես անում են քվանտային համակարգիչները:

Մինչև վերջերս ֆիզիկոսների պատասխանը այդ հարցին եղել է վճռական «Ոչ»:

Քվանտային երևույթները, ինչպիսիք են գերակշռումը, հիմնվում են շրջակա միջավայրից այդ երեւույթները մեկուսացնելու վրա, մասնավորապես `շոգը միջավայրում, որը մասնիկներ է շարժում` խափանելով գերադասության քարտերի հիպերտիկ քվանտային տունը և որոշակի մասնիկին ստիպելով զբաղեցնել կամ A կետը կամ B կետը: , բայց ոչ երբեք, միևնույն ժամանակ:

Այսպիսով, երբ գիտնականներն ուսումնասիրում են քվանտային երևույթները, նրանք ջանք չեն խնայում շրջապատող միջավայրից մեկուսացնելու համար իրենց ուսումնասիրած նյութը, սովորաբար իրենց փորձերի ջերմաստիճանը հասցնելով գրեթե բացարձակ զրոյի:

Բայց բույսերի ֆիզիոլոգիայի աշխարհից փաստեր են հաստատվում առ այն, որ որոշ կենսաբանական պրոցեսներ, որոնք ապավինում են քվանտային գերակշռմանը, տեղի են ունենում նորմալ ջերմաստիճանում, ինչը մեծացնում է հավանականությունը, որ քվանտային մեխանիկայի աներևակայելի տարօրինակ աշխարհը կարող է իսկապես ներխուժել այլ կենսաբանական համակարգերի ամենօրյա աշխատանքների մեջ, ինչպիսին է մեր նյարդային համակարգեր

Օրինակ, 2018-ի մայիսին Գրոնինգենի համալսարանի հետազոտական ​​թիմը, որի կազմում ընդգրկված էր ֆիզիկոս Թոմաս լա Կուր Յանսենը, ապացույցներ գտավ, որ բույսերն ու որոշ ֆոտոսինթետիկ մանրէներ հասնում են գրեթե 100% արդյունավետության ՝ արևը լույսը դարձնելով օգտագործելի էներգիա ՝ օգտագործելով այն փաստը, որ արևի էներգիայի կլանումը որոշ էլեկտրոններ է առաջացնում լույսի գրավիչ մոլեկուլները միաժամանակ գոյություն ունեն ինչպես գրգռված, այնպես էլ ոչ գրգռված քվանտային վիճակներում, որոնք տարածված են բույսի ներսում համեմատաբար երկար հեռավորությունների վրա ՝ թույլ տալով, որ լույսը գրգռող էլեկտրոնները գտնեն ամենաարդյունավետ ուղին մոլեկուլներից, որտեղ լույսը գրավվում է դեպի տարբեր մոլեկուլներ, որտեղ օգտագործվող էներգիան քանի որ գործարանը ստեղծվում է:

Էվոլյուցիան, ամենաէներգախնայող կյանքի ձևերը մշակելու իր անխնա ձգտման մեջ, կարծես անտեսեց ֆիզիկոսների այն համոզմունքը, որ օգտակար քվանտային էֆեկտները չեն կարող տեղի ունենալ կենսաբանության տաք և խոնավ միջավայրում:

Բույսերի կենսաբանության մեջ քվանտային էֆեկտների հայտնաբերումը գիտության բոլորովին նոր ոլորտ է առաջացրել, որը կոչվում է քվանտային կենսաբանություն: Անցած մի քանի տարիների ընթացքում քվանտային կենսաբանները որոշ թռչունների աչքերում մագնիսական դաշտի ընկալման մեջ քվանտային մեխանիկական հատկությունների ապացույցներ են հայտնաբերել (թռչուններին միգրացիայի ժամանակ նավարկելու հնարավորություն տալով) և մարդկանց մեջ հոտառեցուցիչների ակտիվացման մեջ: Տեսիլքի հետազոտողները պարզել են նաև, որ մարդու ցանցաթաղանթի ֆոտոռեցեպտորներն ունակ են էլեկտրական ազդակներ առաջացնել մեկ քվանտային լույսի էներգիայի գրավումից:

Արդյո՞ք էվոլյուցիան մեր ուղեղներին հիպերֆեկտիվ դարձրեց օգտագործվող էներգիա առաջացնելու կամ նեյրոնների շրջանում տեղեկատվություն փոխանցելու և պահելու հարցում ՝ օգտագործելով քվանտային էֆեկտներ, ինչպիսիք են գերադրությունն ու խճճվածությունը:

Նյարդաբանները ուսումնասիրում են այդ հնարավորությունը հենց սկզբում, բայց ես մեկով ոգևորված եմ քվանտային նյարդաբանության նորածին դաշտից, քանի որ դա կարող է հանգեցնել ուղեղի ընկալման մեջ ծնոտի անկման ճեղքման:

Ես դա ասում եմ, որովհետև գիտության պատմությունը մեզ սովորեցնում է, որ ամենամեծ բեկումը գրեթե միշտ գալիս է գաղափարներից, որոնք մինչև որևէ առաջխաղացում տեղի ունենալը անհավանական տարօրինակ են թվում: Այնշտայնի հայտնագործությունը, որ տարածությունն ու ժամանակը իսկապես նույն բանն են (ընդհանուր հարաբերականություն), մեկ այլ օրինակ է, ևս մեկ այլ `Դարվինի հայտնագործությունն այն մասին, որ մարդիկ զարգացել են կյանքի ավելի պարզունակ ձևերից: Եվ, իհարկե, Պլանկի, Այնշտայնի և Բորի կողմից առաջին հերթին քվանտային մեխանիկա հայտնաբերելը ևս մեկ այլ բան է:

Այս ամենը ակնհայտորեն ենթադրում է, որ վաղվա խաղի հիմքում ընկած գաղափարները, որոնք փոխում են նյարդաբանության առաջընթացը, այսօր մարդկանց մեծամասնությանը թվում է, թե խիստ ոչ ուղղափառ և անհավանական են:

Պարզապես այն պատճառով, որ ուղեղի քվանտային կենսաբանությունը տարօրինակ և անհավանական է թվում, դա ինքնաբերաբար չի որակավորում նյարդաբանության հաջորդ հսկա ցատկի առաջացման աղբյուրը: Բայց ես մտածում եմ, որ կենդանի համակարգերում քվանտային էֆեկտների ավելի խորը ընկալումը կարևոր նոր պատկերացումներ կտա մեր ուղեղի և նյարդային համակարգի մասին, եթե առանց այլ պատճառի, որ քվանտային տեսակետ ընդունելը կստիպի նյարդաբաններին պատասխաններ փնտրել տարօրինակ և հիանալի վայրեր, որոնք նախկինում երբեք չէին մտածում հետաքննել:

Եվ երբ քննիչները նայում են այդ տարօրինակ և հրաշալի երևույթներին, այդ երեւույթները, գուցե, մասնիկային ֆիզիկայի մեջ իրենց խճճված զարմիկների նման, հետ նայեն դրանց: