چرا باید به علوم اعصاب کوانتومی اهمیت دهید

اگر چیزی نشنیده اید ، علوم کوانتوم در حال حاضر سفید است ، با صحبت های هیجان انگیز در مورد رایانه های کوانتومی غیرقابل تصور قدرتمند ، ارتباط کوانتومی بسیار کارآمد و امنیت سایبری غیر قابل نفوذ از طریق رمزگذاری کوانتومی.

چرا این همه اعتیاد به مواد مخدره؟

به زبان ساده ، علم کوانتوم به جای قدم های نوزادی که از طریق علم روزمره به آن عادت کرده ایم ، جهش های بزرگی را به جلو نوید می دهد. به عنوان مثال علم روزمره ، رایانه های جدیدی به ما می دهد که هر 2-3 سال دو برابر نیرو می گیرند ، در حالی که علم کوانتوم نوید رایانه های بسیار زیاد را می دهد تریلیون بار قدرت بیشتری نسبت به عضلانی ترین کامپیوتر امروزی دارد.

به عبارت دیگر ، علم کوانتوم ، در صورت موفقیت ، یک تغییر لرزه ای در فناوری ایجاد خواهد کرد که جهان را همانگونه که ما می شناسیم تغییر خواهد داد ، حتی با روش های عمیق تر از اینترنت یا تلفن های هوشمند.

امکانات نفسگیر علوم کوانتوم همه از یک حقیقت ساده ناشی می شود: پدیده های کوانتومی کاملا قوانینی را که آنچه پدیده های "کلاسیک" (عادی) را می توانند محدود کنند ، نقض می کنند.

دو نمونه ای که در آن علم کوانتوم آنچه را که به طور ناگهانی غیر ممکن بود ممکن می کند ، عبارتند از: برهم نهی کوانتوم و درهم تنیدگی کوانتومی.

بیایید ابتدا برهم نهی کوانتوم را حل کنیم.

در دنیای عادی ، یک شی مانند بیس بال فقط می تواند در یک زمان در یک مکان باشد. اما در دنیای کوانتوم ، ذره ای مانند الکترون می تواند تعداد بی نهایت مکان را اشغال کند همزمان، موجود در آنچه فیزیکدانان آن را برهم نهی چندین حالت می نامند. بنابراین در دنیای کوانتوم ، یک چیز بعضی اوقات مانند بسیاری از چیزهای مختلف رفتار می کند.

حالا بیایید با گسترش کمی تشبیه بیس بال ، درهم تنیدگی کوانتومی را بررسی کنیم. در دنیای عادی ، دو بیس بال در کمدهای تاریک در استادیوم های لیگ بزرگ لس آنجلس و بوستون کاملاً از یکدیگر مستقل هستند ، به طوری که اگر یکی از کمدهای ذخیره سازی را برای دیدن یک بیس بال باز کنید ، برای بیس بال دیگر هیچ اتفاقی نمی افتد در یک قفسه انبار تاریک 3000 مایل دورتر است. اما در دنیای کوانتوم ، دو ذره منفرد مانند فوتون ها وجود دارد می توان درگیر می شوند ، به گونه ای که صرف حس حس کردن یک فوتون با یک آشکارساز ، فوراً فوتون دیگر را ، هر چقدر هم دور باشد ، مجبور می کند یک حالت خاص را به دست آورد.

چنین درهم تنیدگی به این معنی است که در جهان کوانتوم ، چندین موجود متمایز گاهی اوقات می توانند مانند یک موجود واحد رفتار کنند ، مهم نیست که موجودات مجزا از یکدیگر فاصله دارند.

این می تواند معادل تغییر حالت یک بیس بال باشد - مثلاً با باز کردن یک قفسه ذخیره سازی در 3000 مایلی دورتر و خیره شدن کاملاً به یک قفل ذخیره سازی در بالای قفسه پایین در مقابل قفسه ذخیره سازی. ناهمسان بیسبال.

این رفتارهای "غیرممکن" موجودات کوانتومی را برای انجام کار غیرممکن با مثال رایانه ایده آل می کند. در رایانه های عادی یک بیت اطلاعات ذخیره شده صفر یا یک است ، اما در یک کامپیوتر کوانتومی بیتی ذخیره شده به نام Qubit (بیت کوانتوم) هم زمان صفر و هم یک است. بنابراین ، جایی که یک حافظه ذخیره سازی ساده 8 بیتی می تواند شامل هر عدد فردی از 0 تا 255 باشد (2 ^ 8 = 256) یک حافظه 8 کیوبیتی می تواند 2 ^ 8 = 256 را ذخیره کند اعداد جداگانه یکباره! توانایی ذخیره اطلاعات بیشتر به این دلیل است که کامپیوترهای کوانتومی نوید جهشی کوانتومی در توان پردازشی را می دهند.

در مثال بالا ، یک حافظه 8 بیتی در یک کامپیوتر کوانتومی به طور هم زمان 256 عدد را بین 0 تا 255 ذخیره می کند در حالی که یک حافظه 8 بیتی در یک کامپیوتر معمولی فقط 1 عدد را بین 0 تا 255 در یک بار ذخیره می کند. حال یک حافظه کوانتومی 24 بیتی (2 ^ 24 = 16،777،216) را تصور کنید که فقط 3 برابر حافظه اول کیوبیت دارد: این می تواند یک حافظه عظیم را ذخیره کند 16،777،216 عدد مختلف به یکباره!

که ما را به تقاطع علوم کوانتوم و نوروبیولوژی می رساند. مغز انسان پردازنده ای بسیار قدرتمندتر از هر رایانه امروزی است: آیا با مهار عجیب و غریب کوانتومی به همان روشی که کامپیوترهای کوانتومی انجام می دهند ، به مقداری از این قدرت عالی می رسد؟

تا همین اواخر ، پاسخ فیزیکدانان به این سوال "نه" قاطعانه بوده است.

پدیده های کوانتومی مانند برهم نهی به جداسازی آن پدیده ها از محیط اطراف ، به ویژه گرمای موجود در محیط که ذرات را به حرکت در می آورد ، متلاشی می شود ، خانه کوانتومی بیش از حد ظریف کارت های سوپرپوزیشن را برهم می زند و ذره ای خاص را مجبور به اشغال یا نقطه A یا B می کند. ، اما هرگز همزمان

بنابراین ، هنگامی که دانشمندان پدیده های کوانتومی را مطالعه می کنند ، تلاش زیادی می کنند تا مواد مورد مطالعه را از محیط اطراف جدا کنند ، معمولاً با کاهش دما در آزمایشات خود به تقریباً صفر مطلق.

اما شواهدی از دنیای فیزیولوژی گیاهان در دست است که برخی از فرآیندهای بیولوژیکی متکی به همپوشانی کوانتومی در دمای طبیعی رخ می دهد ، این احتمال را ایجاد می کند که دنیای غیرقابل تصور عجیب و غریب مکانیک کوانتوم ممکن است در کار هر روز سیستم های بیولوژیکی دیگر مانند سیستم های ما دخالت کند. سیستم های عصبی

به عنوان مثال ، در ماه مه 2018 ، یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه گرونینگن که شامل فیزیکدان توماس لا کور یانسن بود ، شواهدی یافت که گیاهان و برخی از باکتریهای فتوسنتز با بهره گیری از این واقعیت که جذب انرژی خورشید باعث ایجاد برخی الکترونها می شود ، تقریباً 100٪ بازده تبدیل نور خورشید به انرژی قابل استفاده را به دست می آورند. مولکول های گیرنده نور به طور همزمان در هر دو حالت کوانتومی برانگیخته و غیر تحریک شده وجود دارند که در فواصل نسبتاً طولانی در داخل گیاه پخش می شوند ، به الکترون های تحریک شده نور اجازه می دهد کارآمدترین مسیر را از مولکول هایی که نور به مولکول های مختلف جذب می شود ، پیدا کنند. برای گیاه ایجاد شده است.

به نظر می رسد تکامل ، در تلاش بی وقفه خود برای مهندسی کارآمدترین اشکال زندگی ، اعتقاد فیزیکدانان را که اثرات کوانتومی مفید نمی تواند در محیط های گرم و مرطوب زیست شناسی رخ دهد ، نادیده گرفته است.

کشف اثرات کوانتومی در بیولوژی گیاهی زمینه ای کاملاً جدید از علوم را به نام زیست کوانتومی به وجود آورده است. در چند سال گذشته ، زیست شناسان کوانتومی شواهدی از خواص مکانیکی کوانتوم را در درک میدان مغناطیسی در چشم برخی از پرندگان کشف کرده اند (پرندگان را قادر می سازد در هنگام مهاجرت حرکت کنند) و همچنین فعال سازی گیرنده های بو در انسان. محققان چشم انداز همچنین کشف کرده اند که گیرنده های نوری در شبکیه چشم انسان قادر به تولید سیگنال های الکتریکی از گرفتن یک کوانتوم انرژی نور هستند.

آیا تکامل همچنین باعث ایجاد کارآیی مغز در تولید انرژی قابل استفاده یا انتقال و ذخیره اطلاعات در میان سلولهای عصبی با استفاده از اثرات کوانتومی مانند سوپرپیوست و درهم تنیدگی شده است؟

دانشمندان علوم مغز و اعصاب در آغاز بررسی این احتمال هستند ، اما من در مورد زمینه نوپای علوم اعصاب کوانتومی بسیار هیجان زده هستم زیرا می تواند منجر به پیشرفت فک در درک ما از مغز شود.

من این را می گویم زیرا تاریخ علم به ما می آموزد که بزرگترین پیشرفت تقریباً همیشه ناشی از ایده هایی است که قبل از وقوع دستیابی به موفقیت خاص ، فوق العاده عجیب به نظر می رسند. کشف انیشتین مبنی بر اینکه فضا و زمان واقعاً یک چیز هستند (نسبیت عام) یک مثال است ، کشف داروین مبنی بر تکامل انسان از اشکال ابتدایی زندگی ، نمونه دیگری است. و البته کشف پلانک ، انیشتین و بور در وهله اول مکانیک کوانتوم ، مسئله دیگری است.

همه اینها به شدت حاکی از آن است که ایده هایی که در پس بازی فردا وجود دارد و باعث پیشرفت در علوم اعصاب می شود ، امروزه به نظر اکثر افراد بسیار غیرمعمول و غیرممکن است.

اکنون ، فقط به این دلیل که زیست کوانتومی در مغز عجیب و غیرمحتمل به نظر می رسد ، به طور خودکار صلاحیت آن را ندارد که منبع جهش بزرگ بعدی در علوم اعصاب باشد. اما من فکر می کنم که درک عمیق تری از اثرات کوانتومی در سیستم های زنده ، بینش جدید مهمی در مورد مغز و سیستم عصبی ما ایجاد می کند ، اگر بدون دلیل دیگری ، اتخاذ یک دیدگاه کوانتومی باعث می شود دانشمندان علوم اعصاب به دنبال پاسخ هایی عجیب و غریب باشند مکانهای شگفت انگیزی که قبلاً هرگز فکر نکرده بودند

و وقتی محققان به آن پدیده های عجیب و شگفت انگیز نگاه می کنند ، ممکن است آن پدیده ها ، مانند پسر عموهای درگیرشان در فیزیک ذرات ، به آنها نگاه کنند!