Wêrom soene jo soargje moatte foar Quantum Neuroscience

Yn gefal dat jo net hawwe heard, is Quantum-wittenskip op dit stuit wite hjit, mei optein petear oer ûnfoarstelber krêftige kwantumcomputers, ultra-effisjinte kwantumkommunikaasje en ûndeugdlike cyberfeiligens fia kwantumkodearring.

Wêrom alle hype?

Simply sette, kwantumwittenskip belooft gigantyske sprongen foarút ynstee fan 'e poppestappen dy't wy wend binne wurden troch deistige wittenskip. Deistige wittenskip, bygelyks, jout ús nije kompjûters dy't elke 2-3 jier yn macht dûbelje, wylst Quantum-wittenskip kompjûters belooft mei in protte triljoenen kearen mear macht dan de meast spierre komputer dy't hjoed beskikber is.

Mei oare wurden, kwantumwittenskip, as suksesfol, sil in seismyske ferskowing yn technology produsearje dy't de wrâld sil foarmjaan lykas wy it kenne, op noch djipper manieren dan it ynternet as smartphones diene.

De adembenemende mooglikheden fan kwantumwittenskip komme allegear út ien ienfâldige wierheid: kwantumferskynsels brekke de regels folslein dy't beheine wat "klassike" (normale) ferskynsels kinne berikke.

Twa foarbylden wêrby't kwantumwittenskip makket wat eartiids ynienen ûnmooglik wie, binne kwantumsuperposysje en kwantumferbining.

Litte wy earst kwantumsuperposysje oanpakke.

Yn 'e normale wrâld kin in objekt lykas in honkbal mar ien kear tagelyk wêze. Mar yn 'e kwantumwrâld kin in dieltsje lykas in elektron in ûneinich oantal plakken besette tagelyk, bestean yn wat natuerkundigen in superposysje fan meardere steaten neame. Dat yn 'e kwantumwrâld gedraacht ien ding soms lykas in protte ferskillende dingen.

Litte wy no kwantumferstrikking ûndersykje troch de honkbalanalogy wat fierder út te wreidzjen. Yn 'e normale wrâld binne twa honkballen dy't yn donkere kasten sitte yn grutte kompetysje -stadions yn Los Angeles en Boston folslein ûnôfhinklik fan elkoar, sa dat as jo ien fan' e opslachkasten iepenje om nei ien honkbal te sjen, d'r absolút neat soe barre mei de oare honkbal yn in donkere opslachkast 3.000 mil fuort. Mar yn 'e kwantumwrâld binne twa yndividuele dieltsjes, lykas fotonen kinne ferstrengele wurde, sa dat de iennige aksje fan it iene foton detektearje mei in detektor it oare foton, hoe fier ek, fuortendaliks twingt om in bepaalde steat oan te nimmen.

Sa'n ferstrikking betsjuttet dat yn it kwantumuniversum meardere ûnderskate entiteiten soms kinne gedrage as ien entiteit, nettsjinsteande hoe fier út elkoar de ûnderskate entiteiten binne.

Dit soe it ekwivalint wêze fan it feroarjen fan de steat fan ien honkbal - sis, twingt it op 'e boppeste tsjin ûnderste plank fan in opslachkast te wêzen - gewoan troch in opslachkast 3.000 mil fuort te iepenjen en nei in folslein te sjen ferskillend honkbal.

Dizze "ûnmooglike" gedrach meitsje kwantumentiteiten ideaal foar it dwaan fan it ûnmooglike mei bygelyks kompjûters. Yn normale kompjûters is in opslein bytsje ynformaasje in nul as ien, mar yn in kwantumkomputer is in opsleine bit, in Qubit (kwantumbit) neamd, tagelyk nul en ien tagelyk. Dus, wêr't in ienfâldige ûnthâldopslach fan 8 bits elk yndividueel getal kin befetsje fan 0 oant 255 (2^8 = 256) kin in ûnthâld fan 8 Qubits 2^8 = 256 opslaan aparte nûmers alles yn ien kear! De mooglikheid om eksponentiell mear ynformaasje op te slaan is wêrom kwantumcomputers in kwantumsprong beloofje yn ferwurkingskrêft.

Yn boppesteande foarbyld bewarret in 8 bit ûnthâld yn in kwantumkomputer 256 nûmers tusken 0 en 255 tagelyk, wylst in 8 bit ûnthâld yn in gewoane komputer mar ien nûmer bewarret tusken 0 en 255 tagelyk. Stel jo no in 24 -bit kwantumgeheugen foar (2^24 = 16,777,216) mei mar 3 kear safolle Qubits as ús earste ûnthâld: it kin heulendal opslaan 16.777.216 ferskate nûmers tagelyk!

Wat ús bringt nei it krúspunt fan kwantumwittenskip en neurobiology. It minsklik brein is in folle machtiger prosessor dan elke kompjûter dy't hjoed te krijen is: berikt it wat fan dizze bjusterbaarlike krêft troch kwantum -weirdness te benutten op deselde manier as kwantumcomputers dogge?

Oant hiel koartlyn wie it antwurd fan natuerkundigen op dy fraach in klinkend "Nee".

Kwantumferskynsels lykas superposysje fertrouwe op it isolearjen fan dy ferskynsels út 'e omlizzende omjouwing, yn it bysûnder waarmte yn' e omjouwing dy't dieltsjes yn beweging set, it hyper-delicate kwantumhûs fan kaarten fan superposysje fersteure en in bepaald dieltsje twinge om punt A as punt B te besetten , mar nea beide tagelyk.

Sadwaande, as wittenskippers kwantumferskynsels bestudearje, geane se ta grutte ynspanningen om it materiaal dat se bestudearje te isolearjen fan 'e omlizzende omjouwing, meastentiids troch de temperatuer yn har eksperiminten te ferminderjen oant hast absolute nul.

Mar d'r komt bewiis op út 'e wrâld fan plantfysiology dat guon biologyske prosessen dy't fertrouwe op kwantumsuperposysje foarkomme by normale temperatueren, wat de mooglikheid fergruttet dat ûnfoarstelber frjemde wrâld fan kwantummeganika yndie kin yngripe yn' e deistige wurking fan oare biologyske systemen, lykas ús senuwstelsel.

Bygelyks, yn maaie 2018 fûn in ûndersykteam oan 'e Grins Universiteit dy't natuerkundige Thomas la Cour Jansen omfette bewiis dat planten en guon fotosyntetyske baktearjes hast 100% effisjinsje berikke troch it omsette fan sinneljocht yn brûkbere enerzjy troch te eksploitearjen fan it feit dat opname fan sinne -enerzjy guon elektroanen feroarsaket yn ljocht-fêstlizzende molekulen om tagelyk te bestean yn sawol optein as net-optein kwantumsteaten ferspraat oer relatyf lange ôfstannen binnen de plant, wêrtroch de ljocht-eksiteare elektronen it meast effisjinte paad kinne fine fan 'e molekulen wêr't ljocht wurdt fongen nei ferskate molekulen wêr't brûkbere enerzjy want de plant wurdt makke.

Evolúsje, yn har meilibjende syktocht om de meast enerzjysunige libbensfoarmen te ûntwikkeljen, liket it leauwen fan natuerkundigen negeare te hawwen dat nuttige kwantum-effekten net kinne barre yn 'e waarme, wiete omjouwings fan biology.

De ûntdekking fan kwantumeffekten yn plantbiology hat oanlieding jûn ta in folslein nij fjild fan wittenskip neamd kwantumbiology. Yn 'e ôfrûne jierren hawwe kwantumbiologen bewiis ûntdutsen fan kwantummeganyske eigenskippen yn waarnimming fan magnetysk fjild yn' e eagen fan guon fûgels (wêrtroch de fûgels kinne navigearje tidens migraasje), en yn 'e aktivearring fan geurreceptors by minsken. Fisyûndersikers hawwe ek ûntdutsen dat fotoreceptors yn 'e minsklike retina yn steat binne elektryske sinjalen te generearjen út it fangen fan in inkelde kwanta fan ljocht -enerzjy.

Hat evolúsje ús harsens ek hyper-effisjint makke by it generearjen fan brûkbere enerzjy of it ferstjoeren en opslaan fan ynformaasje ûnder neuroanen mei kwantum-effekten lykas superposysje en ferstrengeling?

Neurowetenskippers binne oan it begjin oan it ûndersiikjen fan dizze mooglikheid, mar ik bin foar ien optein oer it opkommende fjild fan kwantumneurowetenskippen, om't it kin liede ta trochbrekkende trochbraken yn ús begryp fan 'e harsens.

Ik sis dit om't de skiednis fan 'e wittenskip ús leart dat de grutste trochbraken hast altyd komme út ideeën dy't, foardat in bepaalde trochbraak foarkomt, ongelooflijk raar klinke. De ûntdekking fan Einstein dat romte en tiid wirklik itselde binne (algemiene relativiteit) is ien foarbyld, de ûntdekking fan Darwin dat minsken evolueare út mear primitive libbensfoarmen, is in oar. En fansels, Planck, Einstein en Bohr's ûntdekking fan kwantummeganika yn it foarste plak, is noch in oare.

Alles dat sterk ymplisearret dat de ideeën efter it spultsje fan moarn feroarjende foarútgong yn neurowetenskippen, hjoed foar de measte minsken lykje heul ûnortodoks en ûnwierskynlik te wêzen.

No, gewoan om't kwantumbiology yn 't harsens raar klinkt en ûnwierskynlik net kwalifiseart dat it de boarne is fan' e folgjende gigantyske sprong foarút yn neurowetenskippen. Mar ik haw in idee dat in djipper begryp fan kwantumeffekten yn libbene systemen wichtige nije ynsjoggen sil opleverje oer ús harsens en senuwstelsels, as foar gjin oare reden, dat it oannimmen fan in kwantumperspektyf neurowittenskippers sil feroarsaakje antwurden yn frjemde en prachtige plakken dy't se noait earder hienen ûndersocht.

En as ûndersikers nei dy frjemde en prachtige ferskynsels sjogge, kinne dy ferskynsels, lykas har ferstrikte neven yn partikelfysika, werom sjen op har!