Hvorfor du skal være interesseret i kvante neurovidenskab

Hvis du ikke har hørt det, er kvantevidenskab hvidvarmt lige nu med begejstret snak om utænkeligt kraftfulde kvantecomputere, ultraeffektiv kvantekommunikation og uigennemtrængelig cybersikkerhed gennem kvantekryptering.

Hvorfor al hype?

Kort sagt, kvantevidenskab lover gigantiske spring frem i stedet for de babytrin, vi er vant til gennem dagligdags videnskab. Hverdags videnskab giver os for eksempel nye computere, der fordobles med magt hvert 2-3 år, mens kvantevidenskab lover computere med mange billioner af gange mere magt end den mest muskuløse computer, der findes i dag.

Med andre ord vil kvantevidenskab, hvis det lykkes, producere et seismisk skift i teknologi, der vil omforme verden, som vi kender den, på endnu mere dybtgående måder end Internettet eller smartphones gjorde.

Kvantevidenskabens betagende muligheder stammer alle fra en simpel sandhed: kvantefænomener bryder fuldstændigt de regler, der begrænser, hvad "klassiske" (normale) fænomener kan udrette.

To eksempler, hvor kvantevidenskab pludselig muliggør det, der tidligere var umuligt, er kvanteoverlejring og kvanteindvikling.

Lad os tackle kvanteoverlejring først.

I den normale verden kan et objekt såsom et baseball kun være ét sted ad gangen. Men i kvanteverdenen kan en partikel som et elektron indtage et uendeligt antal steder på samme tid, eksisterende i hvad fysikere kalder en superposition af flere tilstande. Så i kvanteverdenen opfører en ting sig som mange forskellige ting.

Lad os nu undersøge kvanteindvikling ved at udvide baseball-analogien lidt længere. I den normale verden er to baseballs, der sidder i mørke skabe på større ligastadioner i Los Angeles og Boston, helt uafhængige af hinanden, således at hvis du åbner en af ​​opbevaringsskabe for at se på den ene baseball, ville der intet ske med den anden baseball i et mørkt opbevaringsskab 3.000 miles væk. Men i kvanteverdenen er der to individuelle partikler, såsom fotoner kan blive viklet ind, således at den blotte handling af detektering af en foton med en detektor øjeblikkeligt tvinger den anden foton, uanset hvor langt væk, til at antage en bestemt tilstand.

En sådan indvikling betyder, at i kvanteuniverset kan flere forskellige enheder undertiden opføre sig som en enkelt enhed, uanset hvor langt fra hinanden de forskellige enheder er.

Dette svarer til at ændre tilstanden for en baseball - for eksempel at tvinge den til at være på den øverste vs. nederste hylde i et opbevaringsskab - ved blot at åbne et opbevaringsskab 3.000 miles væk og stirre på et helt forskellige baseball.

Disse "umulige" adfærd gør kvanteenheder ideelle til at gøre det umulige med f.eks. Computere. I normale computere er en lagret bit information enten nul eller en, men i en kvantecomputer er en lagret bit, kaldet en Qubit (kvantebit), både nul og en på samme tid. Hvor et simpelt hukommelseslager på 8 bit kan indeholde et hvilket som helst individuelt nummer fra 0 til 255 (2 ^ 8 = 256), kan en hukommelse på 8 Qubits således lagre 2 ^ 8 = 256 separate numre alt på en gang! Evnen til at gemme eksponentielt flere oplysninger er, hvorfor kvantecomputere lover et kvantespring i processorkraft.

I ovenstående eksempel lagrer en 8 bit hukommelse i en kvantecomputer 256 numre mellem 0 og 255 på én gang, mens en 8 bit hukommelse i en almindelig computer kun lagrer 1 nummer mellem 0 og 255 ad gangen. Forestil dig nu en 24 bit kvantehukommelse (2 ^ 24 = 16,777,216) med kun 3 gange så mange Qubits som vores første hukommelse: den kunne gemme en hel del 16.777.216 forskellige numre på én gang!

Hvilket bringer os til skæringspunktet mellem kvantevidenskab og neurobiologi. Den menneskelige hjerne er en langt mere kraftfuld processor end nogen computer, der er tilgængelig i dag: opnår den noget af denne fantastiske magt ved at udnytte kvanteunderlige på samme måde som kvantecomputere gør?

Indtil for nylig har fysikernes svar på dette spørgsmål været et rungende "nej".

Kvantefænomener som superposition er afhængige af at isolere disse fænomener fra det omgivende miljø, især varme i miljøet, der sætter partikler i bevægelse, forstyrrer det hyper-delikate kvantehus af kort med superposition og tvinger en bestemt partikel til at optage enten punkt A eller punkt B , men aldrig begge på samme tid.

Når forskere derfor studerer kvantefænomener, går de meget langt for at isolere det materiale, de studerer fra det omgivende miljø, normalt ved at sænke temperaturen i deres eksperimenter til næsten absolut nul.

Men der er stigende beviser fra verden af ​​plantefysiologi om, at nogle biologiske processer, der er afhængige af kvanteoverlejring, forekommer ved normale temperaturer, hvilket øger muligheden for, at ufattelig mærkelig verden af ​​kvantemekanik faktisk kan trænge ind i den daglige funktion i andre biologiske systemer, såsom vores nervesystemer.

For eksempel fandt et forskerteam ved Groningen University, der omfattede fysiker Thomas la Cour Jansen, i maj 2018 bevis for, at planter og nogle fotosyntetiske bakterier opnår næsten 100% effektivitet ved at omdanne sollys til brugbar energi ved at udnytte det faktum, at absorption af solenergi forårsager nogle elektroner i lysfangende molekyler til samtidig at eksistere i både ophidsede og ikke-ophidsede kvantetilstande spredt over relativt lange afstande inde i planten, så de lyseksiterede elektroner kan finde den mest effektive vej fra molekylerne, hvor lys fanges til forskellige molekyler, hvor anvendelig energi for planten er skabt.

Evolution, i sin ubarmhjertige søgen efter at konstruere de mest energieffektive livsformer, ser ud til at have ignoreret fysikernes tro på, at nyttige kvanteeffekter ikke kan ske i de varme, våde miljøer i biologien.

Opdagelsen af ​​kvanteeffekter i plantebiologi har givet anledning til et helt nyt videnskabsfelt kaldet kvantebiologi. I de sidste par år har kvantebiologer fundet frem til bevis for kvantemekaniske egenskaber i magnetfeltopfattelse i øjnene på nogle fugle (hvilket gør det muligt for fuglene at navigere under migration) og i aktivering af lugtreceptorer hos mennesker. Visionsforskere har også opdaget, at fotoreceptorer i den menneskelige nethinde er i stand til at generere elektriske signaler fra fangsten af ​​en enkelt mængde lysenergi.

Gjorde evolution også vores hjerner hypereffektive til at generere brugbar energi eller transmittere og lagre information blandt neuroner ved hjælp af kvanteeffekter som superposition og sammenfiltring?

Neurovidenskabere er i begyndelsen af ​​at undersøge denne mulighed, men jeg er for det første begejstret for det voksende felt af kvanteneurovidenskab, fordi det kunne føre til kæbende gennembrud i vores forståelse af hjernen.

Jeg siger dette, fordi videnskabens historie lærer os, at de største gennembrud næsten altid kommer fra ideer, der før et bestemt gennembrud lyder utroligt underligt. Einsteins opdagelse af, at rum og tid virkelig er den samme ting (generel relativitet) er et eksempel, Darwins opdagelse af, at mennesker udviklede sig fra mere primitive livsformer, er et andet. Og selvfølgelig er Planck, Einstein og Bohrs opdagelse af kvantemekanik i første omgang endnu en anden.

Alt dette indebærer stærkt, at ideerne bag morgendagens spil, der ændrer fremskridt inden for neurovidenskab, i dag vil synes for de fleste at være yderst uortodokse og usandsynlige.

Nu, bare fordi kvantebiologi i hjernen lyder underligt og usandsynligt, kvalificerer det ikke automatisk det til at være kilden til det næste kæmpe spring fremad inden for neurovidenskab. Men jeg har en fornemmelse af, at en dybere forståelse af kvanteeffekter i levende systemer vil give vigtige nye indsigter om vores hjerner og nervesystemer, hvis der ikke er nogen anden grund, at ved at vedtage et kvantesynspunkt vil neurovidenskabere søge svar i mærkelige og vidunderlige steder, de aldrig overvejede at undersøge før.

Og når efterforskere ser på disse mærkelige og vidunderlige fænomener, kan disse fænomener, ligesom deres sammenfiltrende fætre i partikelfysik, se tilbage på dem!