De ce ar trebui să-ți pese de Neuroștiința cuantică

În cazul în care nu ați auzit, știința cuantică este foarte fierbinte chiar acum, cu discuții entuziasmate despre calculatoare cuantice inimaginabil de puternice, comunicare cuantică ultra-eficientă și securitate cibernetică impenetrabilă prin criptare cuantică.

De ce tot hype-ul?

Pur și simplu, știința cuantică promite salturi uriașe înainte în locul pașilor cu care ne-am obișnuit prin știința cotidiană. Știința cotidiană, de exemplu, ne oferă computere noi care dublează puterea la fiecare 2-3 ani, în timp ce știința cuantică promite calculatoare cu multe de miliarde de ori mai multă putere decât cel mai musculos calculator disponibil astăzi.

Cu alte cuvinte, știința cuantică, dacă va avea succes, va produce o schimbare seismică în tehnologie care va remodela lumea așa cum o cunoaștem noi, în moduri chiar mai profunde decât au făcut-o Internetul sau smartphone-urile.

Posibilitățile uluitoare ale științei cuantice apar toate dintr-un adevăr simplu: fenomenele cuantice încalcă complet regulile care limitează ceea ce pot realiza fenomenele „clasice” (normale).

Două exemple în care știința cuantică face posibilă brusc ceea ce era imposibil, sunt suprapunerea cuantică și încurcarea cuantică.

Să abordăm mai întâi suprapunerea cuantică.

În lumea normală, un obiect precum un baseball nu poate fi decât într-un singur loc la un moment dat. Dar în lumea cuantică, o particulă precum un electron poate ocupa un număr infinit de locuri in acelasi timp, existentă în ceea ce fizicienii numesc o suprapunere de stări multiple. Deci, în lumea cuantică, un lucru se comportă uneori ca multe lucruri diferite.

Acum să examinăm încurcătura cuantică extinzând analogia de baseball puțin mai departe. În lumea normală, două mingi de baseball așezate în dulapuri întunecate pe stadioanele din liga majoră din Los Angeles și Boston sunt total independente una de cealaltă, astfel încât dacă ai deschide unul dintre dulapurile de depozitare pentru a te uita la un baseball, absolut nimic nu s-ar întâmpla cu celălalt baseball într-un dulap întunecat la 3.000 de mile distanță. Dar în lumea cuantică, două particule individuale, cum ar fi fotonii poate sa fi încurcat, astfel încât simplul act de a detecta un foton cu un detector îl forțează instantaneu pe celălalt foton, oricât de departe ar fi, să-și asume o anumită stare.

O astfel de încurcătură înseamnă că, în universul cuantic, mai multe entități distincte se pot comporta uneori ca o singură entitate, indiferent cât de departe sunt entitățile distincte.

Acesta ar fi echivalentul schimbării stării unui baseball - să zicem, forțându-l să fie pe raftul superior și cel de jos al unui dulap de depozitare - pur și simplu deschizând un dulap de depozitare la 3.000 de mile distanță și uitându-vă la un întreg diferit baseball.

Aceste comportamente „imposibile” fac entitățile cuantice ideale pentru a face imposibilul cu, de exemplu, computerele. În computerele normale, un bit stocat de informații este fie zero, fie unul, dar într-un computer cuantic un bit stocat, numit Qubit (bit cuantic), este atât zero, cât și unul în același timp. Astfel, în cazul în care o memorie simplă de 8 biți poate conține orice număr individual de la 0 la 255 (2 ^ 8 = 256) o memorie de 8 Qubits poate stoca 2 ^ 8 = 256 numere separate dintr-o dată! Capacitatea de a stoca exponențial mai multe informații este motivul pentru care computerele cuantice promit un salt cuantic în puterea de procesare.

În exemplul de mai sus, o memorie de 8 biți într-un computer cuantic stochează 256 de numere între 0 și 255 dintr-o dată, în timp ce o memorie de 8 biți într-un computer obișnuit stochează doar 1 număr între 0 și 255 la un moment dat. Acum imaginați-vă o memorie cuantică de 24 de biți (2 ^ 24 = 16.777.216) cu doar 3 ori mai mulți Qubits decât prima noastră memorie: ar putea stoca o mare 16.777.216 numere diferite simultan!

Ceea ce ne aduce la intersecția științei cuantice și a neurobiologiei. Creierul uman este un procesor mult mai puternic decât orice computer disponibil astăzi: realizează o parte din această putere minunată, valorificând ciudățenia cuantică în același mod în care o fac computerele cuantice?

Până de curând, răspunsul fizicienilor la această întrebare a fost un „Nu” răsunător.

Fenomenele cuantice, cum ar fi suprapunerea, se bazează pe izolarea acelor fenomene din mediul înconjurător, în special căldura din mediul care pune în mișcare particulele, supărând casa cuantică hiper-delicată a cărților de suprapunere și forțând o anumită particulă să ocupe fie punctul A, fie punctul B , dar niciodată ambele în același timp.

Astfel, atunci când oamenii de știință studiază fenomene cuantice, ei depun eforturi mari pentru a izola materialul pe care îl studiază din mediul înconjurător, de obicei prin scăderea temperaturii din experimentele lor până la zero absolut absolut.

Dar din lumea fiziologiei plantelor se adună dovezi că unele procese biologice care se bazează pe suprapunerea cuantică au loc la temperaturi normale, ridicând posibilitatea ca lumea inimaginabil de ciudată a mecanicii cuantice să poată intră într-adevăr în funcționarea zilnică a altor sisteme biologice, cum ar fi sistemele nervoase.

De exemplu, în mai 2018, o echipă de cercetători de la Universitatea Groningen, care a inclus fizicianul Thomas la Cour Jansen, a găsit dovezi că plantele și unele bacterii fotosintetice obțin o eficiență de aproape 100% transformând lumina soarelui în energie utilizabilă prin exploatarea faptului că absorbția energiei solare determină unii electroni în moleculele de captare a luminii să existe simultan atât în ​​stările cuantice excitate, cât și în cele neexcitate, răspândite pe distanțe relativ mari în interiorul plantei, permițând electronilor excitați de lumină să găsească cea mai eficientă cale de la moleculele în care lumina este capturată către diferite molecule unde energia utilizabilă căci planta este creată.

Evoluția, în încercarea sa neîncetată de a proiecta cele mai eficiente forme de viață energetică, pare să fi ignorat credința fizicienilor că efectele cuantice utile nu se pot întâmpla în mediile calde și umede ale biologiei.

Descoperirea efectelor cuantice în biologia plantelor a dat naștere unui domeniu cu totul nou al științei numit biologie cuantică. În ultimii ani, biologii cuantici au dezgropat dovezi ale proprietăților mecanice cuantice în percepția câmpului magnetic în ochii unor păsări (care permit păsărilor să navigheze în timpul migrației) și în activarea receptorilor mirosului la oameni. Cercetătorii de viziune au descoperit, de asemenea, că fotoreceptorii din retina umană sunt capabili să genereze semnale electrice din captarea unei singure cante de energie luminoasă.

De asemenea, evoluția a făcut creierul nostru hipereficient în generarea de energie utilizabilă sau transmiterea și stocarea informațiilor între neuroni folosind efecte cuantice, cum ar fi suprapunerea și încurcarea?

Neurologii sunt chiar la începutul investigației acestei posibilități, dar eu unul sunt entuziasmat de câmpul naștent al neuroștiințelor cuantice, deoarece ar putea duce la descoperiri maxilare în înțelegerea creierului.

Spun asta pentru că istoria științei ne învață că cele mai mari descoperiri provin aproape întotdeauna din idei care, înainte de a se produce o anumită descoperire, sună incredibil de ciudat. Descoperirea lui Einstein că spațiul și timpul sunt cu adevărat același lucru (relativitatea generală) este un exemplu, descoperirea lui Darwin că oamenii au evoluat din forme de viață mai primitive, este un alt. Și, desigur, descoperirea de către Planck, Einstein și Bohr a mecanicii cuantice, în primul rând, este încă una.

Toate acestea implică cu tărie faptul că ideile din spatele jocului de mâine care schimbă progresele în neuroștiințe, astăzi vor părea pentru majoritatea oamenilor a fi extrem de neortodoxe și improbabile.

Acum, doar pentru că biologia cuantică din creier sună ciudat și improbabil nu o califică automat ca fiind sursa următorului salt uriaș în neuroștiințe. Dar am o înțelegere că o înțelegere mai profundă a efectelor cuantice în sistemele vii va aduce noi perspective importante despre creierul și sistemul nostru nervos, dacă nu din alt motiv, faptul că adoptarea unui punct de vedere cuantic va determina neurologii să caute răspunsuri în mod ciudat și locuri minunate pe care nu le-au considerat niciodată să investigheze până acum.

Și atunci când anchetatorii se uită la acele fenomene ciudate și minunate, aceste fenomene ar putea, la fel ca verii lor încurcați în fizica particulelor, să se uite înapoi la ei!