Эмне үчүн кванттык неврологияга көңүл буруу керек

Эгер сиз укпаган болсоңуз, анда Квант илими азыр кызуу болуп, элестете алгыс кубаттуу кванттык компьютерлер, өтө натыйжалуу кванттык байланыш жана кванттык шифрлөө аркылуу өткөрүлгүс кибер коопсуздук жөнүндө толкундануу менен айтып жатышат.

Эмне үчүн ушинтип шылдыңдап жатышат?

Жөнөкөй сөз менен айтканда, Quantum илим биз күнүмдүк илим аркылуу көнүп калган наристе кадамдардын ордуна, ири секириктерди убада кылат. Мисалы, күнүмдүк илим бизге 2-3 жылда эки эсе көбөйүп турган жаңы компьютерлерди берет, ал эми Quantum илим көп компьютерлерди убада кылат триллиондогон жолу азыркы кездеги булчуңдуу компьютерге караганда көбүрөөк кубат.

Башка сөз менен айтканда, кванттык илим ийгиликтүү болсо, технологиянын сейсмикалык өзгөрүүсүн шарттайт, ал дүйнөнү биз билгендей өзгөртөт, Интернет же смартфондорго караганда тереңирээк жолдор менен.

Кванттык илимдин укмуштуудай мүмкүнчүлүктөрү бир эле жөнөкөй чындыктан келип чыгат: кванттык кубулуштар "классикалык" (кадимки) кубулуштарды чектей турган эрежелерди толугу менен бузат.

Квант илими мурда мүмкүн болбогон нерсени күтүүсүздөн мүмкүн кылган эки мисал - кванттык суперпозиция жана кванттык чырмалышуу.

Алгач кванттык суперпозицияны чечели.

Кадимки дүйнөдө бейсбол сыяктуу нерсе бир эле учурда бир гана жерде болушу мүмкүн. Бирок кванттык дүйнөдө электрон сыяктуу бир бөлүкчө чексиз көп орунду ээлей алат Ошол эле учурда, физиктер бир нече абалдын суперпозициясы деп атаган нерсе. Ошентип, квант дүйнөсүндө кээде бир нерсе ар кандай нерселер сыяктуу жүрөт.

Эми бейсбол аналогиясын бир аз алдыга узартып, квант чырмалышын карап көрөлү. Кадимки дүйнөдө Лос-Анджелестеги жана Бостондогу жогорку лигадагы стадиондордогу караңгы шкафтарда отурган эки бейсбол бири-биринен таптакыр көзкарандысыз, мисалы, бир бейсболду карап сактоочу шкафтардын бирин ачсаңыз, экинчи бейсболго эч нерсе болбойт. 3000 чакырым алыстыктагы караңгы сактоочу шкафта. Бирок квант дүйнөсүндө эки бөлүкчө, мисалы, фотон мүмкүн бир фотонду детектор менен сезүү эле, экинчи фотонду канчалык алыс болсо дагы, белгилүү бир абалга келтирүүгө мажбурлайт.

Мындай чырмалышуу, кванттык ааламда бир-биринен айырмаланып турган нерселер канчалык аралыкта болсо дагы, кээде өзүнчө бир жандык катары жүрө алат дегенди билдирет.

Бул бир бейсболдун абалын өзгөртүүгө барабар болмок, мисалы, аны сактоочу шкафтын үстүңкү жана төмөнкү текчелеринде болууга аргасыз кылуу - жөн эле 3000 чакырым алыстыктагы сактоочу шкафты ачып, толугу менен карап туруу ар башка бейсбол.

Бул "мүмкүн эмес" кыймыл-аракеттер кванттык нерселерди, мисалы, компьютерлер менен мүмкүн болбогон нерселерди жасоого идеалдуу кылат. Кадимки компьютерлерде сакталган маалыматтын бир бөлүгү нөлгө же бирге барабар, бирок кванттык компьютерде Кубит (кванттык бит) деп аталган сакталган бит бир эле учурда нөл жана бир эле учурда бирөө болот. Ошентип, 8 биттен турган жөнөкөй эс тутум 0дон 255ке чейинки ар кандай жеке номерлерди камтышы мүмкүн болгон жерде (2 ^ 8 = 256) 8 кубиттик эс тутум 2 ^ 8 = 256 сактай алат өзүнчө сандар бардыгы бирден! Көбүрөөк маалыматты сактоо мүмкүнчүлүгү, эмне үчүн кванттык компьютерлер иштетүү кубаттуулугунда кванттык секирикти убада кылышат.

Жогорудагы мисалда, бир кванттык компьютердеги 8 биттик эс тутуму 0ден 255ке чейинки 256 санды бир эле учурда сактайт, ал эми кадимки компьютердеги 8 биттик эс бир эле учурда 0 менен 255 ортосунда 1 гана сан сактайт. Эми 24 бит кванттык эс тутумду элестетип көрүңүз (2 ^ 24 = 16,777,216), биздин биринчи эс тутумга караганда 3 эсе көп кубиттер: ал чоң көлөмдө сактай алат 16 777 216 бир эле учурда ар кандай номерлер!

Бул бизди Квант илиминин жана нейробиологиянын кесилишине алып келет. Адамдын мээси бүгүнкү күндөгү бардык компьютерлерге караганда алда канча күчтүү процессор: ал кванттык таң калыштуу нерселерди кванттык компьютерлер сыяктуу эле колдонуп, ушул укмуштуу күчкө ээби?

Жакынкы убакка чейин физиктер бул суроого «Жок» деп катуу жооп беришкен.

Суперпозиция сыяктуу кванттык кубулуштар ошол кубулуштарды курчап турган чөйрөдөн, айрыкча, бөлүкчөлөрдү кыймылга келтирүүчү айланадагы жылуулуктан бөлүп, суперпозиция карталарынын гипер-назик квант үйүн бузуп, белгилүү бир бөлүкчөнү А же В чекиттерин ээлөөгө аргасыз кылат. , бирок эч качан бир эле учурда.

Ошентип, окумуштуулар кванттык кубулуштарды изилдеп жатканда, айлана-чөйрөдөн издеп жаткан материалды бөлүп алуу үчүн, адатта, тажрыйбаларындагы температураны дээрлик абсолюттук нөлгө чейин түшүрүп, изденишет.

Бирок өсүмдүктөрдүн физиология дүйнөсү кванттык суперпозицияга таянган кээ бир биологиялык процесстердин кадимки температурада болуп жаткандыгын далилдеп, кванттык механиканын элестетилгис таң калыштуу дүйнөсү чындыгында эле башка биологиялык тутумдардын күнүмдүк ишине кийлигишип кетиши мүмкүн. нерв системалары.

Мисалы, 2018-жылы май айында Гронинген университетинин физикалык адиси Томас ла Кур Янсендин изилдөө тобу өсүмдүктөрдүн жана кээ бир фотосинтездөөчү бактериялардын күн энергиясын сиңирүү кээ бир электрондорду пайда кылгандыгын пайдаланып, күндүн нурун колдонулуучу энергияга айландыруунун 100% га жакын натыйжалуулугуна жетишкендигин далилдеген. өсүмдүктүн ичинде салыштырмалуу узак аралыктарга жайылып, толкунданган жана дүүлүгүлбөгөн кванттык абалда бир эле учурда пайда болгон молекулалар жарык, толкунданган электрондорго жарык түшкөн молекулалардан колдонула турган энергия болгон ар кандай молекулаларга эң натыйжалуу жолду табууга мүмкүнчүлүк берет өсүмдүк үчүн жаратылган.

Эволюция энергияны үнөмдөөчү жашоо формаларын ойлоп табууга умтулуп, биологиянын жылуу жана нымдуу чөйрөсүндө пайдалуу квант эффекттери болбойт деген физиктердин көз-карашын четке каккан окшойт.

Өсүмдүктөрдүн биологиясында квант эффекттеринин ачылышы илимдин кванттык биология деп аталган жаңы чөйрөсүн пайда кылды. Акыркы бир нече жылда кванттык биологдор кванттык механикалык касиеттердин магнит талаасын кээ бир канаттуулардын көз алдында кабыл алышында (канаттууларга миграция учурунда жол жүрүүгө мүмкүнчүлүк берген) жана адамдардын жыт кабылдагычтарын активдештиргенин аныкташкан. Көз караш изилдөөчүлөрү адамдын торчосундагы фоторецепторлор жарык энергиясынын бир квантын алгандан электрдик сигналдарды жаратууга жөндөмдүү экендигин да аныкташты.

Эволюция мээбизди гипер-эффективдүү кылып, колдонула турган энергияны жаратууда же суперпозиция жана чырмалышуу сыяктуу кванттык эффекттерди колдонуп, нейрондор арасында маалыматты өткөрүп жана сактаганбы?

Неврологдор бул мүмкүнчүлүктү иликтөөнүн башталышында эле, бирок мен кванттык нейрологиянын жаңыдан пайда болуп жаткан тармагы жөнүндө абдан кубанычтамын, анткени бул мээ жөнүндө түшүнүгүбүздө жаактын ачылышына алып келиши мүмкүн.

Муну айтып жатканымдын себеби, илимдин тарыхы биздеги эң чоң жетишкендиктер дээрлик ар дайым белгилүү бир ачылыш боло электе укмуштай таң калыштуу идеялардан келип чыгарын үйрөтөт. Эйнштейндин мейкиндик менен убакыттын чындыгында бир нерсе экендигин табышы (жалпы салыштырмалуулук), мисалы, Дарвиндин адамдар эң алгачкы жашоо формаларынан келип чыккан деген ачылышы дагы бир мисал. Албетте, биринчи кезекте Планк, Эйнштейн жана Бордун кванттык механиканы ачышы дагы бир нерсе.

Мунун бардыгы эртеңки оюндун артында турган идеялар неврология илиминин өнүгүүсүн өзгөртүп жаткандыгын, бүгүнкү күндө көпчүлүк адамдар өтө эле жөнөкөй жана ишеничтүү эмес адамдардай сезилет.

Эми мээдеги кванттык биология таң калыштуу жана укмуштуудай угулганы эле, аны автоматтык түрдө неврология илгерилешинин кийинки булагы болуп бере албайт. Бирок менде тирүү системалардагы кванттык эффекттерди тереңирээк түшүнүү мээбиз жана нерв системаларыбыз жөнүндө маанилүү жаңы түшүнүктөрдү берет, эгерде кандайдыр бир себеп болбосо, кванттык көз-карашты кабыл алуу нейробиологдорго таң калыштуу жана жооп издөөгө түртөт. сонун жерлер, алар буга чейин эч качан иликтөө жүргүзүүнү ойлошкон эмес.

Тергөөчүлөр ошол таң калыштуу жана укмуштуу кубулуштарды карап жатканда, ал кубулуштар, алардын бөлүкчөлөр физикасында чырмалышкан бөлөлөрүнө окшоп, аларды карап көрүшү мүмкүн!