Почему вы должны заботиться о квантовой нейробиологии

Намеки на невероятно захватывающее будущее

Если вы еще не слышали, квантовая наука сейчас накалена, с возбужденными разговорами о невообразимо мощных квантовых компьютерах, сверхэффективной квантовой связи и непроницаемой кибербезопасности с помощью квантового шифрования.

Почему все шумиха?

Проще говоря, Квантовая наука обещает гигантские скачки вперед, а не шаги ребенка, к которым мы привыкли в повседневной науке. Например, повседневная наука дает нам новые компьютеры, мощность которых удваивается каждые 2-3 года, тогда как квантовая наука обещает компьютерам, мощность которых во много триллионов раз больше, чем самый мощный компьютер, доступный сегодня.

Другими словами, квантовая наука, в случае успеха, произведет сейсмический сдвиг в технологии, который изменит мир, каким мы его знаем, даже более глубокими способами, чем Интернет или смартфоны.

• Как тревога может превратить обычное в необычное
• Роль надежды и навыков в преодолении отчуждения родителей
• Процветание в жизни не требует прямых а
• Большие данные, большое дело!
• В поисках привязанности

Захватывающие возможности квантовой науки все вытекают из одной простой истины: квантовые явления полностью нарушают правила, ограничивающие то, что «классические» (нормальные) явления могут совершать.

Два примера, когда Квантовая наука делает невозможным то, что раньше было невозможным, – это квантовая суперпозиция и квантовая запутанность.

Давайте сначала рассмотрим квантовую суперпозицию.

• Комплименты: как стать счастливым и сделать мир лучше
• Стоит ли тренироваться во время выздоровления от анорексии? Часть 2
• Вспоминая вежливость: отражение 21-го века
• Когда ты говоришь, что ты не творческий …
• Власть через контрольно-пропускные пункты для достижения ваших новогодних целей

В обычном мире такой объект, как бейсбол, может находиться только в одном месте одновременно. Но в квантовом мире такая частица, как электрон, может одновременно занимать бесконечное число мест , существуя в том, что физики называют суперпозицией множества состояний. Так что в квантовом мире одна вещь иногда ведет себя как много разных вещей.

суперпозиция

Источник: CC0

Теперь давайте рассмотрим квантовую запутанность, расширив аналогию с бейсболом немного дальше. В обычном мире два бейсбольных мяча, которые сидят в темных шкафчиках на стадионах высшей лиги в Лос-Анджелесе и Бостоне, абсолютно независимы друг от друга, так что если вы откроете один из шкафчиков для хранения, чтобы посмотреть на один бейсбол, с другим бейсболом абсолютно ничего не случится в темном хранилище на расстоянии 3000 миль. Но в квантовом мире две отдельные частицы, такие как фотоны, могут быть запутаны, так что простое действие восприятия одного фотона с помощью детектора мгновенно заставляет другой фотон, независимо от того, как далеко он находится, принять определенное состояние.

Такое запутывание означает, что в квантовой вселенной несколько различных сущностей могут иногда вести себя как одна сущность, независимо от того, насколько далеко друг от друга находятся отдельные сущности.

Это было бы эквивалентно изменению состояния одного бейсбола – скажем, принуждения его находиться на верхней или нижней полке шкафчика для хранения – просто открыв шкафчик для хранения на расстоянии 3000 миль и глядя на совершенно другой бейсбол.

Такое «невозможное» поведение делает квантовые объекты идеальными для выполнения невозможного, например, с помощью компьютеров. В обычных компьютерах хранимый бит информации – это либо ноль, либо единица, но в квантовом компьютере хранимый бит, называемый Qubit (квантовый бит), равен и нулю, и единице одновременно. Таким образом, если в простом хранилище памяти из 8 битов может содержаться любое отдельное число от 0 до 255 (2 ^ 8 = 256), в памяти из 8 кубитов может храниться 2 ^ 8 = 256 отдельных чисел одновременно! Способность хранить экспоненциально больше информации – вот почему квантовые компьютеры обещают качественный скачок в вычислительной мощности.

В вышеприведенном примере 8-битная память в квантовом компьютере хранит 256 чисел от 0 до 255 одновременно, в то время как 8-битная память в обычном компьютере хранит только 1 цифру от 0 до 255 одновременно. Теперь представьте себе 24-битную квантовую память (2 ^ 24 = 16 777 216), в которой всего в 3 раза больше кубитов, чем в нашей первой памяти: она может хранить колоссальные 16 777 216 различных чисел одновременно!

Что подводит нас к пересечению квантовой науки и нейробиологии. Человеческий мозг является гораздо более мощным процессором, чем любой компьютер, доступный сегодня: достигает ли он этой удивительной мощности, используя квантовую странность так же, как это делают квантовые компьютеры?

Вплоть до недавнего времени ответ физиков на этот вопрос был громким «Нет».

Квантовые явления, такие как суперпозиция, полагаются на изоляцию этих явлений от окружающей среды, особенно на тепло в окружающей среде, которое приводит частицы в движение, расстраивает сверхчувствительный квантовый дом карт суперпозиции и заставляет определенную частицу занимать либо точку A, либо точку B , но никогда не одновременно.

Таким образом, когда ученые изучают квантовые явления, они идут на все, чтобы изолировать материал, который они изучают, от окружающей среды, обычно путем понижения температуры в своих экспериментах почти до абсолютного нуля.

Но из мира физиологии растений накапливаются доказательства того, что некоторые биологические процессы, основанные на квантовой суперпозиции, происходят при нормальных температурах, что повышает вероятность того, что невообразимо странный мир квантовой механики может действительно вторгаться в повседневную работу других биологических систем, таких как наша нервная система

Например, в мае 2018 года исследовательская группа в Университете Гронингена, в состав которой входил физик Томас ла Кур Янсен, обнаружила доказательства того, что растения и некоторые фотосинтезирующие бактерии достигают почти 100% эффективности преобразования солнечного света в полезную энергию, используя тот факт, что поглощение солнечной энергии вызывает некоторое количество электронов в Захватывающие свет молекулы одновременно существуют как в возбужденных, так и в невозбужденных квантовых состояниях, распространяющихся на относительно большие расстояния внутри растения, что позволяет возбужденным светом электронам находить наиболее эффективный путь от молекул, где свет захватывается, к различным молекулам, где полезная энергия для завода создан.

Эволюция в своем неустанном стремлении к созданию наиболее энергоэффективных форм жизни, по-видимому, проигнорировала убеждение физиков в том, что полезные квантовые эффекты не могут происходить в теплой и влажной среде биологии.

Открытие квантовых эффектов в биологии растений привело к появлению совершенно новой области науки под названием квантовая биология. В последние несколько лет квантовые биологи обнаружили признаки квантово-механических свойств в восприятии магнитного поля в глазах некоторых птиц (что позволяет птицам ориентироваться во время миграции) и в активации рецепторов запаха у людей. Исследователи зрения также обнаружили, что фоторецепторы в сетчатке человека способны генерировать электрические сигналы от захвата единичных квантов световой энергии.

Действительно ли эволюция сделала наш мозг сверхэффективным при генерировании полезной энергии или передаче и хранении информации среди нейронов с использованием квантовых эффектов, таких как суперпозиция и запутывание?

Нейробиологи в самом начале исследуют эту возможность, но я, например, взволнован зарождающимся полем квантовой нейробиологии, потому что это может привести к потрясающим прорывам в нашем понимании мозга.

Я говорю это потому, что история науки учит нас, что самые большие прорывы почти всегда происходят из идей, которые до того, как произойдет конкретный прорыв, звучат невероятно странно. Открытие Эйнштейном того, что пространство и время на самом деле одно и то же (общая теория относительности), является одним примером, открытие Дарвина, что люди эволюционировали от более примитивных форм жизни, является другим. И, конечно же, открытие квантовой механики Планком, Эйнштейном и Бором в первую очередь является еще одним.

Все это в значительной степени подразумевает, что идеи, лежащие в основе завтрашней игры, меняющей достижения в нейробиологии, сегодня кажутся большинству людей крайне неортодоксальными и невероятными.

Теперь, просто потому, что квантовая биология в мозге звучит странно и невероятно, не означает, что она автоматически станет источником следующего гигантского скачка в нейробиологии. Но у меня есть предчувствие, что более глубокое понимание квантовых эффектов в живых системах даст важные новые представления о нашем мозге и нервной системе, если по какой-либо другой причине принятие квантовой точки зрения заставит нейробиологов искать странные и странные ответы. замечательные места, которые они никогда не рассматривали, исследуя прежде.

И когда исследователи смотрят на эти странные и удивительные явления, эти явления могут, как и их запутанные кузены в физике элементарных частиц, оглядываться на них!

Рекомендации

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3768233/

https://phys.org/news/2016-02-evidence-vibration-theory.html

http://jgp.rupress.org/content/150/3/383

https://phys.org/news/2018-05-quantum-effects-photosynthesis.html

https://www.quantamagazine.org/a-new-spin-on-the-quantum-brain-20161102/

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology

Что такое квантовая биология?