Kial Vi Zorgus Pri Kvanta Neŭroscienco

Se vi ne aŭdis, Kvantuma scienco furoras nun, kun ekscitita parolado pri neimageble potencaj kvantumaj komputiloj, ultraefika kvantuma komunikado kaj nepenetrebla cibera sekureco per kvantuma ĉifrado.

Kial la tuta propagando?

Simple dirite, Kvantuma scienco promesas gigantajn saltojn antaŭen anstataŭ la bebaj paŝoj, al kiuj ni alkutimiĝis per ĉiutaga scienco. Ĉiutaga scienco, ekzemple, donas al ni novajn komputilojn, kiuj funkcias duoble post 2-3 jaroj, dum Kvantuma scienco promesas komputilojn kun multaj miliardoj da fojoj pli da potenco ol la plej muskola komputilo havebla hodiaŭ.

Alivorte Kvantuma scienco, se ĝi sukcesos, produktos sisman ŝanĝon en te technologyniko, kiu transformos la mondon tian, kia ni konas ĝin, eĉ pli profunde ol la interreto aŭ inteligentaj telefonoj.

La mirindaj eblecoj de Kvantuma scienco ĉiuj ekestas de unu simpla vero: kvantumaj fenomenoj tute rompas la regulojn, kiuj limigas tion, kion "klasikaj" (normalaj) fenomenoj povas plenumi.

Du ekzemploj kie Kvantuma scienco igas tion, kio antaŭe estis malebla subite ebla, estas kvantuma supermeto kaj kvantuma implikiĝo.

Ni unue pritraktu kvantan superpozicion.

En la normala mondo, objekto kiel basbalo povas esti nur en unu loko samtempe. Sed en la kvantuma mondo, partiklo kiel elektrono povas okupi senfinan nombron da lokoj samtempe, ekzistanta en tio, kion fizikistoj nomas supermeto de multnombraj statoj. Do en la kvantuma mondo, unu afero foje kondutas kiel multaj malsamaj aferoj.

Nun ni ekzamenu kvantuman implikiĝon etendante la basbalan analogecon iomete plu. En la normala mondo du basbaloj sidantaj en malhelaj ŝrankoj en ĉefligaj stadionoj en Los-Anĝeleso kaj Bostono estas tute sendependaj unu de la alia, tiel ke se vi malfermus unu el la stokejoj por rigardi unu basbalon, absolute nenio okazus al la alia basbalo en malhela stokŝranko je 3.000 mejloj for. Sed en la kvantuma mondo, du individuaj eroj, kiel fotonoj povas esti implikita, tia ke la nura ago senti unu fotonon per detektilo tuj devigas la alian fotonon, kiom ajn malproksime, alpreni apartan staton.

Tia interplektaĵo signifas, ke en la kvantuma universo, multnombraj apartaj entoj povas iafoje konduti kiel ununura ento, kiom ajn malproksimaj estas la apartaj entoj.

Ĉi tio estus la ekvivalento de ŝanĝo de la stato de unu basbalo - diru, devigante ĝin esti sur la supra kontraŭ malsupra breto de stokado-ŝranko - simple malfermante stokan ŝrankon je 3.000 mejloj for kaj rigardante tute malsama basbalo.

Ĉi tiuj "neeblaj" kondutoj faras kvantumajn entojn idealaj por fari la neeblon per, ekzemple, komputiloj. En normalaj komputiloj stokita iom da informo estas aŭ nulo aŭ unu, sed en kvantuma komputilo stokita bito, nomata Qubit (kvantuma bito), estas samtempe nula kaj unu samtempe. Tiel, kie simpla memorbutiko de 8 bitoj povas enhavi iun ajn individuan nombron de 0 ĝis 255 (2 ^ 8 = 256) memoro de 8 Qubits povas stoki 2 ^ 8 = 256 apartaj nombroj tute samtempe! La kapablo stoki eksponente pli da informoj estas kial kvantumaj komputiloj promesas kvantuman salton en prilabora potenco.

En supra ekzemplo, 8-bita memoro en kvantuma komputilo stokas 256 numerojn inter 0 kaj 255 samtempe dum 8-bita memoro en ordinara komputilo stokas nur 1 numeron inter 0 kaj 255 samtempe. Nun imagu 24-bitan kvantuman memoron (2 ^ 24 = 16.777.216) kun nur 3-oble pli da Qubitoj ol nia unua memoro: ĝi povus stoki enorman 16 777 216 malsamaj nombroj samtempe!

Kio kondukas nin al la intersekciĝo de Kvantuma scienco kaj neŭrobiologio. La homcerbo estas multe pli potenca procesoro ol iu ajn komputilo havebla hodiaŭ: ĉu ĝi atingas iom da ĉi tiu timinda potenco per utiligado de kvantuma strangaĵo same kiel faras kvantumaj komputiloj?

Ĝis tre lastatempe la respondo de fizikistoj al tiu demando estis resona "Ne."

Kvantaj fenomenoj kiel ekzemple supermeto dependas de izolado de tiuj fenomenoj de la ĉirkaŭa medio, precipe varmeco en la medio, kiu movas partiklojn, renversante la hiper-delikatan kvantuman domon de kartoj de supermeto kaj devigante apartan partiklon okupi aŭ punkton A aŭ punkton B , sed neniam ambaŭ samtempe.

Tiel, kiam sciencistoj studas kvantumajn fenomenojn, ili multe penas izoli la materialon, kiun ili studas de la ĉirkaŭa ĉirkaŭaĵo, kutime per malaltigo de la temperaturo en siaj eksperimentoj al preskaŭ absoluta nulo.

Sed evidentoj kreskas de la mondo de plantfiziologio, ke iuj biologiaj procezoj, kiuj dependas de kvantuma superpozicio, okazas ĉe normalaj temperaturoj, levante la eblon, ke neimageble stranga mondo de kvantuma mekaniko ja povas entrudiĝi en la ĉiutagan funkciadon de aliaj biologiaj sistemoj, kiel nia nervaj sistemoj.

Ekzemple, en majo 2018 esplora teamo en Groninga Universitato, kiu inkluzivis fizikiston Thomas la Cour Jansen, trovis evidentecon, ke plantoj kaj iuj fotosintezaj bakterioj atingas preskaŭ 100% efikecon konvertante sunlumon al uzebla energio ekspluatante la fakton, ke sorbo de sunenergio kaŭzas iujn elektronojn en lum-kaptantaj molekuloj samtempe ekzistas en kaj ekscititaj kaj ne-ekscititaj kvantumaj statoj disvastigitaj trans relative longajn distancojn ene de la planto, permesante al la lum-ekscititaj elektronoj trovi la plej efikan vojon de la molekuloj kie lumo estas kaptita al malsamaj molekuloj kie uzebla energio ĉar la planto estas kreita.

Evoluado, en sia senĉesa klopodo realigi la plej energi-efikajn vivoformojn, ŝajnas ignori la kredon de fizikistoj, ke utilaj kvantumaj efikoj ne povas okazi en la varmaj malsekaj medioj de biologio.

La malkovro de kvantumaj efikoj en plantbiologio estigis tute novan sciencan kampon nomatan kvantuma biologio. En la lastaj jaroj, kvantumaj biologoj eltrovis pruvojn de kvantmekanikaj ecoj en magneta kampa percepto en la okuloj de iuj birdoj (ebligante la birdojn navigi dum migrado), kaj en la aktivigo de odorreceptoroj en homoj. Esploristoj pri Vizio ankaŭ malkovris, ke fotoreceptoroj en la homa retino kapablas generi elektrajn signalojn de la kapto de ununura kvanto da lumenergio.

Ĉu evoluo ankaŭ igis niajn cerbojn hiperefikaj generi uzeblan energion aŭ transdoni kaj stoki informojn inter neŭronoj per kvantumaj efikoj kiel supermeto kaj interplektiĝo?

Neŭrosciencistoj estas en la komenco mem esplori ĉi tiun eblecon, sed mi entuziasme pri la naskiĝanta kampo de kvantuma neŭroscienco ĉar ĝi povus konduki al makzelaj faloj en nia kompreno de la cerbo.

Mi diras ĉi tion, ĉar la historio de scienco instruas al ni, ke la plej grandaj progresoj preskaŭ ĉiam venas de ideoj, kiuj, antaŭ ol aparta trarompo, sonas nekredeble strange. La eltrovo de Einstein, ke spaco kaj tempo estas vere la sama afero (ĝenerala relativeco) estas unu ekzemplo, la eltrovo de Darwin, ke homoj evoluis el pli primitivaj vivoformoj, estas alia. Kaj kompreneble, la eltrovo de kvantuma mekaniko de Planck, Einstein kaj Bohr, estas ankoraŭ alia.

Ĉio ĉi tio forte implicas, ke la ideoj malantaŭ la morgaŭa ludo, kiuj ŝanĝas progresojn en neŭroscienco, hodiaŭ ŝajnos al plej multaj homoj tre neortodoksaj kaj neverŝajnaj.

Nun, nur ĉar kvantuma biologio en la cerbo sonas stranga kaj neverŝajna, ne aŭtomate kvalifikas ĝin esti la fonto de la sekva giganta salto antaŭen en neŭroscienco. Sed mi havas la antaŭsenton, ke pli profunda kompreno pri kvantumaj efikoj en vivaj sistemoj donos gravajn novajn komprenojn pri niaj cerboj kaj nervaj sistemoj, se pro neniu alia kialo, ke adopti kvantuman vidpunkton kaŭzos neŭrosciencistojn serĉi respondojn en stranga kaj mirindajn lokojn, kiujn ili neniam antaŭe pripensis esplori.

Kaj kiam enketistoj pripensos tiujn strangajn kaj mirindajn fenomenojn, tiuj fenomenoj povus, kiel siaj implikantaj kuzoj en partikla fiziko, retrorigardi al ili!