Чаму вы павінны клапаціцца пра квантавую неўралогію

У выпадку, калі вы яшчэ не чулі, квантавая навука зараз накаляецца, з хваляванымі размовамі пра неймаверна магутныя квантавыя кампутары, ультраэфектыўную квантавую сувязь і непранікальную кібербяспеку з дапамогай квантавага шыфравання.

Навошта ўся шуміха?

Прасцей кажучы, квантавая навука абяцае гіганцкія скачкі наперад замест дзіцячых крокаў, да якіх мы прызвычаіліся з дапамогай паўсядзённай навукі. Напрыклад, паўсядзённая навука дае нам новыя кампутары, якія падвойваюць магутнасць кожныя 2-3 гады, тады як квантавая навука абяцае камп'ютэры з вялікай колькасцю трыльёны разоў больш магутнасці, чым самы мускулісты кампутар, даступны сёння.

Іншымі словамі, квантавая навука ў выпадку поспеху прывядзе да сейсмічных зрухаў у тэхналогіях, якія перакрояць свет такім, якім мы яго ведаем, яшчэ больш глыбокімі спосабамі, чым гэта зрабілі Інтэрнэт і смартфоны.

Усе захапляльныя магчымасці квантавай навукі вынікаюць з адной простай ісціны: квантавыя з'явы цалкам парушаюць правілы, якія абмяжоўваюць тое, што могуць зрабіць "класічныя" (нармальныя) з'явы.

Два прыклады, калі квантавая навука раптам робіць немагчымым тое, што раней было немагчыма, - гэта квантавая суперпазіцыя і квантавае перапляценне.

Давайце спачатку разбярэмся з квантавай суперпазіцыяй.

У звычайным свеце адначасова такі аб'ект, як бейсбол, можа знаходзіцца толькі ў адным месцы. Але ў квантавым свеце такая часціца, як электрон, можа займаць бясконцую колькасць месцаў адначасова, існуе ў тым, што фізікі называюць суперпазіцыяй некалькіх станаў. Такім чынам, у квантавым свеце адно часам паводзіць сябе як шмат розных рэчаў.

Зараз давайце разгледзім квантавае перапляценне, пашырыўшы аналогію бейсбола крыху далей. У звычайным свеце два бейсбольныя мячы, якія сядзяць у цёмных шафках на стадыёнах галоўнай лігі ў Лос-Анджэлесе і Бостане, цалкам незалежныя адзін ад аднаго, так што калі б вы адкрылі адну з шафак, каб паглядзець на адзін бейсбол, з іншым бейсболам нічога не здарылася у цёмным шафцы для захоўвання за 3000 міль. Але ў квантавым свеце дзве асобныя часціцы, такія як фатоны можа быць заблытаным такім чынам, што сам акт зандзіравання аднаго фатона дэтэктарам імгненна прымушае другі фатон, незалежна ад таго, наколькі ён далёкі, прыняць пэўны стан.

Такое заблытванне азначае, што ў квантавым сусвеце некалькі розных асоб часам могуць паводзіць сябе як адзіныя сутнасці, незалежна ад таго, наколькі розныя асобныя сутнасці знаходзяцца.

Гэта было б эквівалентна змене стану аднаго бейсбола - скажам, прымусіць яго знаходзіцца на верхняй і ніжняй паліцы шафкі для захоўвання - проста адкрыўшы шафку для захоўвання на адлегласці 3000 міль і гледзячы на ​​цалкам розныя бейсбол.

Гэтыя "немагчымыя" паводзіны робяць квантавыя сутнасці ідэальнымі для таго, каб зрабіць немагчымае, напрыклад, з дапамогай кампутараў. У звычайных кампутарах біт інфармацыі, які захоўваецца, - гэта нуль альбо адзінка, але ў квантавым камп'ютэры біт, які называецца Qubit (квантавы біт), адначасова роўны нулю і адзінцы. Такім чынам, там, дзе простае сховішча памяці з 8 бітаў можа ўтрымліваць любы асобны нумар ад 0 да 255 (2 ^ 8 = 256), памяць з 8 кубітаў можа захоўваць 2 ^ 8 = 256 асобныя нумары усё адразу! Магчымасць захоўваць экспанентна больш інфармацыі - вось чаму квантавыя кампутары абяцаюць квантавы скачок у вылічальнай магутнасці.

У прыведзеным вышэй прыкладзе 8-бітная памяць у квантавым кампутары захоўвае 256 лікаў ад 0 да 255 адначасова, а 8-бітная памяць у звычайным кампутары адначасова захоўвае толькі 1 нумар ад 0 да 255. А цяпер уявіце сабе 24-бітную квантавую памяць (2 ^ 24 = 16 777 216), у якой у 3 разы больш кубітаў, чым у нашай першай памяці: яна можа захоўваць каласальную памяць 16 777 216 розных нумароў адначасова!

Што прыводзіць нас да стыку квантавай навукі і нейрабіялогіі. Чалавечы мозг - нашмат больш магутны працэсар, чым любы сучасны кампутар: ці дасягае ён гэтай дзіўнай магутнасці, выкарыстоўваючы квантавыя дзівацтвы гэтак жа, як гэта робяць квантавыя кампутары?

Да нядаўняга часу адказ фізікаў на гэтае пытанне быў рашучым "Не".

Такія квантавыя з'явы, як суперпазіцыя, абапіраюцца на ізаляцыю гэтых з'яў ад навакольнага асяроддзя, у прыватнасці, цяпла ў навакольным асяроддзі, якое прыводзіць часціцы ў рух, парушаючы звышдалікатны квантавы дом карт суперпазіцыі і прымушаючы пэўную часціцу займаць альбо кропку А, альбо кропку В , але ніколі абодвух адначасова.

Такім чынам, калі навукоўцы вывучаюць квантавыя з'явы, яны ідуць на вялікія намаганні, каб ізаляваць вывучаны матэрыял ад навакольнага асяроддзя, як правіла, паніжаючы тэмпературу ў сваіх эксперыментах амаль да абсалютнага нуля.

Але са свету расліннай фізіялогіі расце доказ таго, што некаторыя біялагічныя працэсы, якія абапіраюцца на квантавую суперпазіцыю, адбываюцца пры нармальных тэмпературах, павялічваючы верагоднасць таго, што неймаверна дзіўны свет квантавай механікі сапраўды можа ўрывацца ў паўсядзённую працу іншых біялагічных сістэм, такіх як наша нервовая сістэма.

Напрыклад, у маі 2018 года даследчая група ўніверсітэта Гронінгена, у склад якой уваходзіў фізік Томас ла Кур Янсен, знайшла доказы таго, што расліны і некаторыя фотасінтэтычныя бактэрыі дасягаюць амаль 100% эфектыўнасці, пераўтвараючы сонечнае святло ў карысную энергію, выкарыстоўваючы той факт, што паглынанне сонечнай энергіі выклікае некаторыя электроны ў якія захопліваюць святло малекулы адначасова існуюць як у узбуджаным, так і ў невозбужденном квантавых станах, якія распаўсюджваюцца на адносна вялікія адлегласці ўнутры расліны, што дазваляе ўзбуджаным святлом электронам знайсці найбольш эфектыўны шлях ад малекул, дзе святло захопліваецца, да розных малекул, дзе карысная энергія бо расліна створана.

У сваім нястомным імкненні стварыць самыя энергаэфектыўныя формы жыцця эвалюцыя ігнаруе меркаванне фізікаў аб тым, што карысныя квантавыя эфекты не могуць адбывацца ў цёплых вільготных умовах біялогіі.

Адкрыццё квантавых эфектаў у біялогіі раслін дало пачатак цалкам новай галіне навукі, якая атрымала назву квантавай біялогіі. За апошнія некалькі гадоў квантавыя біёлагі выявілі квантава-механічныя ўласцівасці ўспрымання магнітнага поля ў вачах некаторых птушак (што дазваляе птушкам арыентавацца падчас міграцыі) і актывацыі рэцэптараў паху ў людзей. Даследчыкі Vision таксама выявілі, што фотарэцэптары ў сятчатцы чалавека здольныя генераваць электрычныя сігналы ад захопу адзінкавых квантаў светлавой энергіі.

Ці зрабіла эвалюцыя таксама наш мозг гіперэфектыўным пры выпрацоўцы карыснай энергіі альбо перадачы і захоўванні інфармацыі сярод нейронаў з выкарыстаннем квантавых эфектаў, такіх як суперпазіцыя і перапляценне?

Неўрапатолагі знаходзяцца ў самым пачатку даследавання гэтай магчымасці, але мяне, напрыклад, хвалюе зараджаецца поле квантавай неўралогіі, таму што гэта можа прывесці да прарываў у разуменні мозгу.

Я кажу гэта таму, што гісторыя навукі вучыць нас, што самыя вялікія прарывы ​​амаль заўсёды адбываюцца з ідэй, якія да таго, як адбудзецца пэўны прарыў, гучаць неверагодна дзіўна. Адкрыццё Эйнштэйна пра тое, што прастора і час сапраўды адно і тое ж (агульная тэорыя адноснасці) - адзін з прыкладаў, адкрыццё Дарвіна пра тое, што людзі ператварыліся ў больш прымітыўныя формы жыцця, - іншае. І, вядома, адкрыццё квантавай механікі Планка, Эйнштэйна і Бора - гэта яшчэ адно.

Усё гэта навокал наводзіць на думку, што ідэі заўтрашняй гульні, якія мяняюць поспехі ў галіне неўралогіі, сёння пададуцца большасці людзей вельмі нестандартна і неверагодна.

Цяпер, толькі таму, што квантавая біялогія ў мозгу гучыць дзіўна і неверагодна, гэта не аўтаматычна вызначае яе як крыніцу наступнага гіганцкага скачка ў галіне неўралогіі. Але я здагадваюся, што больш глыбокае разуменне квантавых эфектаў у жывых сістэмах дасць важныя новыя ўяўленні пра наш мозг і нервовую сістэму, калі ні па якіх іншых прычынах, што прыняцце квантавага пункту гледжання прымусіць неўралагі шукаць адказы ў дзіўных і цудоўныя месцы, якія яны ніколі раней не думалі даследаваць.

І калі следчыя разглядаюць гэтыя дзіўныя і дзівосныя з'явы, гэтыя з'явы, магчыма, як і іх заблытаныя стрыечныя браты ў фізіцы часціц, азірнуцца на іх!