Hvorfor du bør bry deg om kvante nevrovitenskap

I tilfelle du ikke har hørt, er kvantevitenskapen hvit hot akkurat nå, med spent snakk om ufattelig kraftige kvantedatamaskiner, ultraeffektiv kvantekommunikasjon og ugjennomtrengelig cybersikkerhet gjennom kvantekryptering.

Hvorfor all sprøytenarkoman?

Enkelt sagt, Quantum science lover gigantiske sprang fremover i stedet for babytrinnene vi har blitt vant til gjennom hverdagsvitenskap. Hverdagsvitenskap, for eksempel, gir oss nye datamaskiner som dobler seg hvert 2-3 år, mens kvantevitenskap lover datamaskiner med mange billioner av ganger mer kraft enn den mest muskuløse datamaskinen som er tilgjengelig i dag.

Med andre ord vil kvantevitenskap, hvis det lykkes, produsere et seismisk skifte i teknologi som vil omforme verden slik vi kjenner den, på enda dypere måter enn Internett eller smarttelefoner gjorde.

De fantastiske mulighetene til kvantevitenskap kommer alle fra en enkel sannhet: kvantefenomener bryter helt reglene som begrenser hva "klassiske" (normale) fenomener kan oppnå.

To eksempler der kvantevitenskap gjør det som tidligere var umulig plutselig mulig, er kvanteoverstilling og kvanteforvikling.

La oss takle kvantesuperposisjon først.

I den normale verden kan et objekt som en baseball bare være på ett sted om gangen. Men i kvanteverdenen kan en partikkel som et elektron innta et uendelig antall steder samtidig, eksisterende i det fysikere kaller en superposisjon av flere tilstander. Så i kvanteverdenen oppfører seg en ting noen ganger som mange forskjellige ting.

La oss nå undersøke kvanteforvikling ved å utvide baseballanalogien litt lenger. I den normale verden er to baseball som sitter i mørke skap på større ligastadioner i Los Angeles og Boston helt uavhengige av hverandre, slik at hvis du åpner en av lagringsskapene for å se på en baseball, ville absolutt ingenting skje med den andre baseball i et mørkt oppbevaringsskap 3000 miles unna. Men i kvanteverdenen, to individuelle partikler, for eksempel fotoner kan bli viklet inn, slik at bare det å føle en foton med en detektor øyeblikkelig tvinger den andre foton, uansett hvor langt borte, til å anta en bestemt tilstand.

Slik vikling betyr at i kvanteuniverset kan flere forskjellige enheter noen ganger oppføre seg som en enkelt enhet, uansett hvor langt fra hverandre de forskjellige enhetene er.

Dette tilsvarer å endre tilstanden til en baseball - for eksempel å tvinge den til å være på toppen mot bunnen av en lagringsskap - ganske enkelt ved å åpne et lagringsskap 3.000 miles unna og se på et helt annerledes baseball.

Disse ”umulige” atferdene gjør kvanteenheter ideelle for å gjøre det umulige med for eksempel datamaskiner. I vanlige datamaskiner er en lagret bit informasjon enten null eller en, men i en kvantecomputer er en lagret bit, kalt Qubit (kvantebit), både null og én samtidig. Når et enkelt minnelager på 8 bits kan inneholde et hvilket som helst individuelt tall fra 0 til 255 (2 ^ 8 = 256), kan et minne på 8 Qubits lagre 2 ^ 8 = 256 separate tall alt på en gang! Evnen til å lagre eksponentielt mer informasjon er grunnen til at kvantedatamaskiner lover et kvantesprang i prosessorkraft.

I eksemplet ovenfor lagrer et 8-bits minne i en kvantecomputer 256 tall mellom 0 og 255 samtidig, mens et 8-bits minne i en vanlig datamaskin bare lagrer 1 nummer mellom 0 og 255 om gangen. Tenk deg et 24-biters kvanteminne (2 ^ 24 = 16 777 216) med bare tre ganger så mange Qubits som vårt første minne: det kan lagre en hel del 16 777 216 forskjellige tall på en gang!

Som bringer oss til skjæringspunktet mellom kvantevitenskap og nevrobiologi. Den menneskelige hjerne er en langt kraftigere prosessor enn noen datamaskin som er tilgjengelig i dag: oppnår den noe av denne fantastiske kraften ved å utnytte kvante-rare på samme måte som kvante-datamaskiner gjør?

Inntil veldig nylig har fysikernes svar på det spørsmålet vært et rungende "Nei".

Kvantefenomener som superposisjon er avhengige av å isolere disse fenomenene fra det omgivende miljøet, spesielt varme i miljøet som setter partikler i bevegelse, forstyrrer det hyper-delikate kvantehuset til superposisjonskort og tvinger en bestemt partikkel til å okkupere enten punkt A eller punkt B , men aldri begge samtidig.

Når forskere studerer kvantefenomener, strekker de seg langt for å isolere materialet de studerer fra det omgivende miljøet, vanligvis ved å senke temperaturen i eksperimentene til nesten null.

Men beviset øker fra plantefysiologiens verden at noen biologiske prosesser som er avhengige av kvanteoverstilling oppstår ved normale temperaturer, noe som øker muligheten for at ufattelig merkelig verden av kvantemekanikk faktisk kan trenge inn i det daglige arbeidet i andre biologiske systemer, som vår nervesystemer.

For eksempel, i mai 2018, fant et forskerteam ved Groningen University som inkluderte fysikeren Thomas la Cour Jansen bevis på at planter og noen fotosyntetiske bakterier oppnår nesten 100% effektivitet ved å konvertere sollys til brukbar energi ved å utnytte det faktum at absorpsjon av solenergi forårsaker noen elektroner i lysfangende molekyler til å eksistere samtidig i både eksiterte og ikke-eksiterte kvantetilstander spredt over relativt lange avstander inne i planten, slik at de lyseksiterte elektronene finner den mest effektive banen fra molekylene der lys fanges opp til forskjellige molekyler hvor brukbar energi for anlegget er skapt.

Evolusjon, i sin nådeløse søken etter å konstruere de mest energieffektive livsformene, ser ut til å ha ignorert fysikernes tro på at nyttige kvanteeffekter ikke kan skje i biologiens varme, våte omgivelser.

Oppdagelsen av kvanteeffekter i plantebiologi har gitt opphav til et helt nytt vitenskapsfelt kalt kvantebiologi. I løpet av de siste årene har kvantebiologer avdekket bevis på kvantemekaniske egenskaper i magnetfeltoppfattelsen i øynene til noen fugler (slik at fuglene kan navigere under migrasjon), og i aktivering av luktreseptorer hos mennesker. Visjonsforskere har også oppdaget at fotoreseptorer i den menneskelige netthinnen er i stand til å generere elektriske signaler fra fangst av en enkelt mengde lysenergi.

Gjorde evolusjonen også hjernen vår effektiv til å generere brukbar energi eller overføre og lagre informasjon blant nevroner ved hjelp av kvanteeffekter som superposisjon og sammenfiltring?

Nevrologer er helt i begynnelsen av å undersøke denne muligheten, men jeg er for det første spent på det fremvoksende feltet av kvante-nevrovitenskap fordi det kan føre til kjevefallende gjennombrudd i vår forståelse av hjernen.

Jeg sier dette fordi vitenskapshistorien lærer oss at de største gjennombruddene nesten alltid kommer fra ideer som, før et bestemt gjennombrudd skjer, høres utrolig rart ut. Einsteins oppdagelse om at rom og tid egentlig er den samme (generell relativitet) er ett eksempel, Darwins oppdagelse om at mennesker utviklet seg fra mer primitive livsformer, er et annet. Og selvfølgelig er Planck, Einstein og Bohrs oppdagelse av kvantemekanikk i utgangspunktet enda en annen.

Alt dette innebærer sterkt at ideene bak morgendagens spill som endrer fremskritt innen nevrovitenskap i dag, vil virke for de fleste som svært uortodokse og usannsynlige.

Nå, bare fordi kvantebiologi i hjernen høres rart og usannsynlig, kvalifiserer det ikke automatisk til å være kilden til neste gigantiske sprang fremover i nevrovitenskap. Men jeg har en fornemmelse av at en dypere forståelse av kvanteeffekter i levende systemer vil gi viktig ny innsikt om hjernen og nervesystemene våre, om ikke uten andre grunner, at å vedta et kvanteperspektiv vil føre til at nevroforskere ser etter svar på underlige og fantastiske steder de aldri vurderte å undersøke før.

Og når etterforskere ser på de rare og fantastiske fenomenene, kan disse fenomenene, i likhet med deres fassende fettere i partikkelfysikken, se tilbake på dem!