Proč byste se měli starat o kvantovou neurovědu

Pokud jste to ještě neslyšeli, kvantová věda je právě teď horká, s nadšenými řeči o nepředstavitelně výkonných kvantových počítačích, ultra efektivní kvantové komunikaci a neproniknutelné kybernetické bezpečnosti prostřednictvím kvantového šifrování.

Proč všechny ty humbuky?

Jednoduše řečeno, kvantová věda slibuje obrovské skoky vpřed namísto dětských kroků, na které jsme si zvykli díky každodenní vědě. Například každodenní věda nám dává nové počítače, jejichž výkon se zdvojnásobí každé 2-3 roky, zatímco kvantová věda slibuje počítačům mnoho bilionykrát více energie než nejsvaličtější počítač, který je dnes k dispozici.

Jinými slovy, pokud bude kvantová věda úspěšná, vyprodukuje seismický posun v technologii, který přetvoří svět, jak ho známe, ještě hlubšími způsoby, než to udělal internet nebo chytré telefony.

Všechny dechberoucí možnosti kvantové vědy vycházejí z jedné jednoduché pravdy: kvantové jevy zcela porušují pravidla, která omezují to, co mohou „klasické“ (normální) jevy dosáhnout.

Dva příklady, kdy kvantová věda umožňuje to, co bylo najednou nemožné, jsou kvantová superpozice a kvantové zapletení.

Pojďme se nejprve zabývat kvantovou superpozicí.

V normálním světě může být předmět, jako je baseball, najednou pouze na jednom místě. Ale v kvantovém světě může částice, jako je elektron, obsadit nekonečné množství míst ve stejnou dobu, existující v tom, co fyzici nazývají superpozicí více stavů. Takže v kvantovém světě se jedna věc někdy chová jako mnoho různých věcí.

Nyní prozkoumejme kvantové zapletení rozšířením analogie baseballu o něco dále. V normálním světě jsou dvě baseballové hřiště, které sedí v tmavých skříňkách na stadionech hlavní ligy v Los Angeles a Bostonu, na sobě zcela nezávislé, takže pokud byste otevřeli jednu z úložných skříněk, abyste se podívali na jeden baseball, absolutně by se tomu druhému baseballu nestalo v tmavé skříňce na skladování 3 000 mil daleko. Ale v kvantovém světě jsou to dvě jednotlivé částice, například fotony umět být zapleteni tak, že pouhá akce snímání jednoho fotonu detektorem okamžitě nutí druhý foton, bez ohledu na to, jak daleko, převzít určitý stav.

Takové zapletení znamená, že v kvantovém vesmíru se může několik odlišných entit někdy chovat jako jedna entita, bez ohledu na to, jak jsou jednotlivé entity od sebe vzdálené.

To by bylo ekvivalentem změny stavu jednoho baseballu - řekněme vynucení, aby byl na horní vs. spodní polici úložné skříňky - jednoduše otevřením úložné skříňky vzdálené 3 000 mil a pohledem na zcela odlišný baseball.

Díky tomuto „nemožnému“ chování jsou kvantové entity ideální pro provádění nemožného například u počítačů. V normálních počítačích je uložený bit informací buď nula, nebo jedna, ale v kvantovém počítači je uložený bit, nazývaný Qubit (kvantový bit), nula i jedna současně. Takže tam, kde jednoduché paměťové úložiště 8 bitů může obsahovat libovolné individuální číslo od 0 do 255 (2 ^ 8 = 256), může paměť 8 Qubits uložit 2 ^ 8 = 256 samostatná čísla všechno najednou! Schopnost ukládat exponenciálně více informací je důvod, proč kvantové počítače slibují kvantový skok ve výpočetní síle.

Ve výše uvedeném příkladu 8bitová paměť v kvantovém počítači ukládá 256 čísel mezi 0 a 255 najednou, zatímco 8bitová paměť v běžném počítači ukládá pouze 1 číslo mezi 0 a 255 najednou. Nyní si představte 24bitovou kvantovou paměť (2 ^ 24 = 16 777 216) s pouhým 3krát větším počtem Qubits než naše první paměť: mohla by ukládat neuvěřitelných 16 777 216 různých čísel najednou!

Což nás přivádí k průniku kvantové vědy a neurobiologie. Lidský mozek je mnohem výkonnější procesor než jakýkoli počítač, který je dnes k dispozici: dosahuje některé z těchto úžasných výkonů využitím kvantové podivnosti stejným způsobem jako kvantové počítače?

Až donedávna byla odpověď fyziků na tuto otázku jasným „ne“.

Kvantové jevy, jako je superpozice, se spoléhají na izolaci těchto jevů od okolního prostředí, zejména tepla v prostředí, které uvádí částice do pohybu, narušují hyperkřehký kvantový dům karet superpozice a nutí určitou částici obsadit buď bod A, nebo bod B , ale nikdy obojí současně.

Když tedy vědci studují kvantové jevy, snaží se izolovat studovaný materiál od okolního prostředí, obvykle snížením teploty ve svých experimentech téměř na nulu.

Ze světa rostlinné fyziologie však přibývá důkazů, že některé biologické procesy, které se spoléhají na kvantovou superpozici, se vyskytují za normálních teplot, což zvyšuje možnost, že nepředstavitelně podivný svět kvantové mechaniky může skutečně zasahovat do každodenního fungování jiných biologických systémů, jako je náš nervové systémy.

Například v květnu 2018 našel výzkumný tým na univerzitě v Groningenu, který zahrnoval fyzika Thomase la Cour Jansena, důkaz, že rostliny a některé fotosyntetické bakterie dosahují téměř 100% účinnosti přeměny slunečního záření na využitelnou energii využitím skutečnosti, že absorpce sluneční energie způsobuje, že některé elektrony molekuly zachycující světlo, aby současně existovaly v excitovaných i neexcitovaných kvantových stavech šířících se na relativně velké vzdálenosti uvnitř rostliny, což umožňuje elektronům vzrušeným najít nejúčinnější cestu z molekul, kde je světlo zachyceno k různým molekulám, kde je využitelná energie protože je vytvořena rostlina.

Zdá se, že evoluce ve svém neúnavném úsilí o konstrukci energeticky nejúčinnějších forem života ignorovala víru fyziků, že k užitečným kvantovým efektům nemůže dojít v teplém a vlhkém prostředí biologie.

Objev kvantových efektů v biologii rostlin vedl ke zcela nové oblasti vědy zvané kvantová biologie. V posledních několika letech objevili kvantoví biologové důkazy o kvantově mechanických vlastnostech ve vnímání magnetického pole v očích některých ptáků (umožňujících ptákům navigaci během migrace) a v aktivaci čichových receptorů u lidí. Výzkumní pracovníci v oblasti vidění také zjistili, že fotoreceptory v lidské sítnici jsou schopné generovat elektrické signály ze zachycení jediné kvanty světelné energie.

Způsobila evoluce také to, že náš mozek je hyperefektivní při generování použitelné energie nebo při přenosu a ukládání informací mezi neurony pomocí kvantových efektů, jako je superpozice a zapletení?

Neurologové jsou na samém počátku zkoumání této možnosti, ale já jsem nadšený z rodícího se pole kvantové neurovědy, protože by to mohlo vést k průlomovým objevům v našem chápání mozku.

Říkám to proto, že historie vědy nás učí, že největší průlomy téměř vždy pocházejí z myšlenek, které před tím, než dojde k určitému průlomu, zní neuvěřitelně divně. Einsteinův objev, že prostor a čas jsou ve skutečnosti to samé (obecná relativita), je jedním příkladem, Darwinův objev, že se lidé vyvinuli z primitivnějších forem života, je dalším. A samozřejmě Planckův, Einsteinův a Bohrův objev kvantové mechaniky na prvním místě, je ještě další.

To vše silně naznačuje, že myšlenky, které stojí za zítřejší hrou měnící pokrok v neurovědě, se dnes většině lidí budou zdát vysoce neortodoxní a nepravděpodobné.

Jen proto, že kvantová biologie v mozku zní divně a nepravděpodobně, ji automaticky nekvalifikuje jako zdroj dalšího velkého skoku vpřed v neurovědě. Mám však tušení, že hlubší pochopení kvantových účinků v živých systémech přinese důležité nové poznatky o našich mozcích a nervových systémech, pokud z jiného důvodu nepřijme kvantové hledisko neurovědy hledání odpovědí podivným a úžasná místa, která nikdy předtím neuvažovali o vyšetřování.

A když se vyšetřovatelé podívají na tyto podivné a úžasné jevy, mohou se tyto jevy, stejně jako jejich zapletení bratranci ve fyzice částic, podívat zpět!