Неліктен кванттық неврологияға көңіл бөлу керек?

Егер сіз естімеген болсаңыз, кванттық ғылым қазір өте ыстық, ол елестете алмайтындай қуатты кванттық компьютерлер, ультра тиімді кванттық байланыс және кванттық шифрлау арқылы өтпейтін киберқауіпсіздік туралы әңгімелер.

Неліктен бұл барлық шу?

Қарапайым тілмен айтқанда, кванттық ғылым біз күнделікті ғылым арқылы үйреніп қалған нәресте қадамдарының орнына үлкен серпіліс жасайды. Мысалы, күнделікті ғылым бізге қуаттылығы 2-3 жылда екі еселенетін жаңа компьютерлер береді, ал кванттық ғылым көптеген компьютерлерге уәде береді триллион рет қазіргі кездегі бұлшық еттерден гөрі көп қуат.

Басқаша айтқанда, егер кванттық ғылым сәтті болса, әлемде біз білетіндей етіп өзгертетін технологияның сейсмикалық өзгерісін тудырады, бұл интернеттен немесе смартфондардан гөрі тереңірек болады.

Кванттық ғылымның таңқаларлық мүмкіндіктері бір қарапайым шындықтан туындайды: кванттық құбылыстар «классикалық» (қалыпты) құбылыстардың орындай алатындығын шектейтін ережелерді толығымен бұзады.

Кванттық ғылым кенеттен мүмкін болмайтын нәрсені кенеттен мүмкін ететін екі мысал - кванттық суперпозиция және кванттық шатасу.

Алдымен кванттық суперпозицияны шешейік.

Қалыпты әлемде бейсбол сияқты зат бір уақытта тек бір жерде болуы мүмкін. Бірақ кванттық әлемде электрон сияқты бөлшек шексіз көп орынды иелене алады бір уақытта, Физиктер бірнеше күйдің суперпозициясы деп атаған. Сонымен, кванттық әлемде бір нәрсе кейде әртүрлі заттар сияқты әрекет етеді.

Енді бейсбол ұқсастығын сәл әрі қарай ұзарту арқылы кванттық шатасуды қарастырайық. Кәдімгі әлемде Лос-Анджелес пен Бостондағы жоғарғы лига стадиондарының қараңғы шкафтарында отырған екі бейсбол бір-біріне мүлдем тәуелді емес, егер сіз бір шкафты бір бейсболға қарау үшін ашсаңыз, екінші бейсболға ештеңе болмайды. 3000 миль қашықтықтағы қараңғы қойма шкафында. Бірақ кванттық әлемде екі жеке бөлшектер, мысалы, фотондар мүмкін бір фотонды детектормен сезіну әрекеті басқа фотонды қаншалықты алыс болса да, белгілі бір күйге енуге лезде мәжбүр ететіндей етіп, шатастырыңыз.

Мұндай шатасу дегеніміз кванттық әлемде бірнеше жеке тұлғалар кейде бір-бірінен қаншалықты алшақ болғанына қарамастан, өзін біртұтас тұлға ретінде ұстай алады.

Бұл бір бейсболдың күйін өзгертуге тең болар еді, мысалы оны сақтау шкафының үстіңгі сөресінде және сөресінде болуға мәжбүр ету - жай 3000 000 миль қашықтықта орналасқан шкафты ашып, толығымен қарап тұру. әр түрлі Бейсбол.

Бұл «мүмкін емес» мінез-құлық кванттық нысандарды, мысалы, компьютерлермен мүмкін емес нәрсені жасау үшін өте ыңғайлы етеді. Кәдімгі компьютерлерде ақпараттың сақталған биті нольге немесе бірге тең, ал кванттық компьютерде кубит (кванттық бит) деп аталатын сақталған бит бір уақытта нөлге тең және біреуге тең келеді. Осылайша, 8 биттен тұратын қарапайым жады қоймасында 0-ден 255-ке дейінгі кез-келген жеке сан болуы мүмкін (2 ^ 8 = 256) 8 кубиттік жад 2 ^ 8 = 256 сақтай алады бөлек сандар бірден! Экспоненциалды түрде көбірек ақпарат сақтау мүмкіндігі - кванттық компьютерлер өңдеу қуаттылығында кванттық секірісті уәде етеді.

Жоғарыда келтірілген мысалда, кванттық компьютердегі 8 биттік жады 0 мен 255 арасындағы 256 санды бірден сақтайды, ал қарапайым компьютердегі 8 биттік жады бір уақытта 0 мен 255 аралығында тек 1 санды сақтайды. Енді 24 биттік кванттық жадыны елестетіп көріңіз (2 ^ 24 = 16,777,216), біздің алғашқы жадымыздан 3 есе көп кубиттер: ол үлкен көлемді сақтай алады Бірден 16 777 216 түрлі нөмірлер!

Бұл бізді кванттық ғылым мен нейробиологияның қиылысына алып келеді. Адамның миы қазіргі кездегі кез-келген компьютерге қарағанда әлдеқайда қуатты процессор: ол кванттық компьютерлер сияқты кванттық оғаштықты қолдану арқылы осы керемет қуаттың кейбіріне қол жеткізе ме?

Соңғы кезге дейін физиктердің бұл сұраққа берген жауабы «жоқ» болды.

Суперпозиция сияқты кванттық құбылыстар қоршаған ортадағы құбылыстарды, әсіресе бөлшектерді қозғалысқа келтіретін қоршаған ортадағы жылуды оқшаулауға, суперпозиция карточкаларының гипер-нәзік кванттық үйін бұзуға және белгілі бір бөлшекті А немесе В нүктесін алуға мәжбүр етеді. , бірақ ешқашан бір уақытта.

Осылайша, ғалымдар кванттық құбылыстарды зерттегенде, олар қоршаған ортаны зерттеп жатқан материалды оқшаулау үшін көп күш жұмсайды, әдетте өз тәжірибелеріндегі температураны абсолюттік нөлге дейін төмендетеді.

Өсімдіктер физиологиясы әлемінде кванттық суперпозицияға сүйенетін кейбір биологиялық процестердің қалыпты температурада болатындығы туралы дәлелдемелер өсіп, кванттық механиканың елестетілмейтін таңғажайып әлемі шынымен де басқа биологиялық жүйелердің күнделікті жұмысына еніп кетуі мүмкін. жүйке жүйесі.

Мысалы, 2018 жылдың мамыр айында Гронинген университетінің физик Томас ла Кур Янсен құрамындағы зерттеу тобы өсімдіктер мен кейбір фотосинтетикалық бактериялардың күн сәулесін пайдаланылатын энергияға айналдырудың 100% тиімділігіне қол жеткізетіндігі туралы дәлел тапты өсімдіктің ішіндегі салыстырмалы түрде ұзақ қашықтыққа таралатын және қоздырылмаған және қоздырылмайтын кванттық күйлерде бір уақытта болатын жарық түсіретін молекулалар жарық қоздырылған электрондарға жарық түсірілетін молекулалардан пайдалы молекулалардан әртүрлі молекулаларға дейін ең тиімді жолды табуға мүмкіндік береді зауыт құрылды.

Эволюция өмірдің энергияны үнемдейтін түрлерін құру жөніндегі тынымсыз ізденістерінде физиктердің пайдалы кванттық эффекттер биологияның жылы және дымқыл ортасында бола алмайды деген сенімін ескермеген сияқты.

Өсімдіктер биологиясындағы кванттық эффекттердің ашылуы кванттық биология деп аталатын ғылымның мүлдем жаңа саласын тудырды. Соңғы бірнеше жылда кванттық биологтар кейбір құстардың көзіне магнит өрісін қабылдаудағы кванттық механикалық қасиеттердің (құстардың көші-қон кезінде жүруіне мүмкіндік беретін) және адамдардағы иіс рецепторларының іске қосылуының дәлелдерін тапты. Көзқарас зерттеушілері адамның торлы қабығындағы фоторецепторлардың жарық энергиясының бір квантын алғаннан электрлік сигналдар шығаруға қабілетті екенін анықтады.

Эволюция сонымен қатар миды гипер-тиімді етіп, пайдаланылатын энергияны өндіруде немесе суперпозиция мен шатасу сияқты кванттық эффектілерді қолданып, нейрондар арасында ақпараттар беруде және сақтауда тиімді етті ме?

Нейробиологтар бұл мүмкіндікті зерттеудің басында тұр, бірақ мен кванттық неврологияның жаңа қалыптасып келе жатқан өрісі туралы өте қуаныштымын, себебі бұл біздің ми туралы түсінігімізде жақсылыққа әкелуі мүмкін.

Мұны айтып отырған себебім, ғылым тарихы бізге ең үлкен жетістіктер әрдайым белгілі бір серпіліс пайда болғанға дейін таңғажайып болып көрінетін идеялардан туындайды деп үйретеді. Эйнштейннің кеңістік пен уақыттың шынымен бірдей екендігі (жалпы салыстырмалылық) туралы ашуы - бұл бір мысал, Дарвиннің адамдардың әлдеқайда қарабайыр тіршілік формаларынан дамығандығы туралы жаңалығы. Әрине, бірінші кезекте Планк, Эйнштейн және Бордың кванттық механиканы ашуы тағы бір мәселе.

Мұның бәрі ертеңгі ойынның идеялары неврология ғылымындағы жетістіктерді өзгертеді дегенді білдіреді, бүгінде көптеген адамдар әдеттен тыс және мүмкін емес болып көрінеді.

Енді мидағы кванттық биология таңқаларлық және мүмкін емес болып көрінетіндіктен, оны автоматты түрде неврологиядағы келесі үлкен секірістің көзі бола алмайды. Бірақ менің ойымша, тірі жүйелердегі кванттық әсерлерді тереңірек түсіну біздің миымыз бен жүйке жүйелеріміз туралы маңызды жаңа түсініктер береді, егер басқа себептер болмаса, кванттық көзқарасты қабылдау нейробиологтардың жауаптарды таңқаларлық және бұрын олар ешқашан тергеуді ойластырмаған керемет жерлер.

Тергеушілер сол бір ғажайып және таңғажайып құбылыстарды қарастырғанда, сол құбылыстар, бөлшектер физикасындағы құдалары сияқты, оларға қайта оралуы мүмкін!