האם המוח האנושי הוא מחשב קוונטי?

קסם קוונטי

מחשבים קוונטיים משתמשים במעבדים קוונטיים המשתמשים בחלקיקים אלמנטריים כמו נויטרונים, אלקטרונים ו/או אטומים במקום מעגלים וטרנזיסטורים משולבים כמו מעבדים קלאסיים. שתיים מהמאפיינים ה"משוגעים והקסומים "ביותר שיש לחלקיקים אלה כוללים את הדברים הבאים:

• ראשית, הם איכשהו "מחוברים" באופן רציף לחלקיקים אחרים שמסתבכים איתו לאחר אינטראקציה מסוימת. לדוגמה, כאשר ספין חלקיק אחד נמדד במצב "למעלה", החלקיק השני, גם אם הוא היה רחוק מאוד, היה מיידי (כלומר מהיר יותר ממהירות האור) במצב "למטה" ההפוך. אוספים גדולים של חלקיקים סבוכים (אם היו קיימים במוח) יכולים אפוא להתנהג בצורה "מתוזמרת" או מתואמת למרחקים ארוכים.

• שנית, הם קיימים בסופרפוזיציה של מצבים לפני כל מדידה. לדוגמה, אלקטרון עשוי להיות בשתי רמות אנרגיה שונות או להסתובב למעלה ולמטה בו זמנית. אולם כאשר הם נמדדים, הם יהיו ברמת אנרגיה מסוימת או בכיוון ספין – אנו אומרים שהם "התמוטטו" למצב מסוים. בעת שימוש במעבדים קלאסיים, אנו מקצים מעט "1" או "0". במעבד קוונטי, נוכל להקצות "1" למצב הספין-למטה ו "0" למצב הספין-אפ של נניח אלקטרון. עם זאת, עד שנמדוד את המצב, הוא יהיה "1" ו "0" בו זמנית – כשם שמטבע מסתובב אינו "ראשים" ולא "זנבות" כאשר הוא מסתובב. מכאן שסיביות קוונטיות או "קווביט" אחד יכול לייצג בו זמנית את "1" ו- "0", בשונה מה"ביט "של המעבד הקלאסי שיכול לייצג רק" 1 "או" 0 "בנקודת זמן. הסיבית בינארית ונקודתית אך הקיביט הוא "דמוי שטח" ו"מטושטש "; זה מאפשר לעבד הרבה יותר מידע במקביל, תוך ניצול הרכוש של סופרפוזיציות. "ביט" מייצג נקודה 1 או 0 בנקודת זמן, בעוד ש"קביט "יכול לייצג את שניהם בבת אחת.

ניתן להקצות תכונות פיסיקליות שונות של חלקיקים אלמנטריים "1s" ו- "0s". לדוגמה, אנו יכולים להשתמש במצבי הסחרור או הסחרור של גרעין האטום, ברמות האנרגיה השונות של האלקטרונים באטום, או אפילו בכיוון של מישור הקיטוב של חלקיקי אור או פוטונים.

מחשוב קוונטי באמצעות אטומי זרחן

בשנת 2013, צוות מחקר בראשות מהנדסים אוסטרליים מאוניברסיטת ניו סאות 'ויילס (UNSW) יצר את הקבינט הקוונטי הראשון המבוסס על ספין הגרעין של אטום זרחן יחיד בתוך מצע מגן של אטומי סיליקון לא מגנטיים עם אפס סיבוב. בעיתון פורץ דרך בכתב העת Nature, הם דיווחו על דיוק שיא בכתיבה ובקריאה של מידע קוונטי באמצעות הספין הגרעיני. 2

מכיוון שלגרעין של אטום זרחן יש שדה מגנטי חלש מאוד ובעל מספר הספין הנמוך ביותר של ½ (מה שאומר שהוא פחות רגיש לשדות חשמליים ומגנטיים), הוא כמעט חסין בפני רעש מגנטי או הפרעות חשמליות מהסביבה. הוא עוד "מוגן" מפני רעש על ידי המיטה שמסביב של אטומי סיליקון עם אפס ספין. כתוצאה מכך, לסחרור הגרעיני יש זמן קוהרנטיות ארוך יותר המאפשר לאחסן בו מידע למשך זמן ארוך יותר, מה שמביא לרמת דיוק גבוהה בהרבה.

"ליבת אטום הזרחן מכילה ספין גרעיני, שיכול לשמש כמכסת אחסון זיכרון מעולה הודות לרגישותו החלשה מאוד לרעש הקיים בסביבה הסובבת."
אנדרו זוראק, מדווח על עבודת צוות UNSW, 3

בשנת 2014, צוות אחר (הפעם שיתוף פעולה הולנדי-ארה"ב) השתמש בסיבובים הגרעיניים של אטומי זרחן במחשוב הקוונטי כדי להשיג דיוק גדול עוד יותר של 99.99% וזמן קוהרנטיות ארוך יותר של מעל 35 שניות. 4,5

מחשבים קוונטיים בראשנו?

אז מה כל זה קשור למוח שלנו? ישנן דוגמאות רבות בביולוגיה הקוונטית בהן יש חשד לעיבוד קוונטי; לדוגמא, ישנן עדויות לכך שציפורים מנצלות תהליכים קוונטיים ברשתיות שלהן כדי לנווט ברחבי הגלובוס וכי הפוטוסינתזה מתקדמת ביעילות רבה יותר על ידי השגת מצבים קוונטיים קוהרנטים לאורך זמן. כמו כן, נצפה כי חוש הריח האנושי והיבטים מסוימים של הראייה האנושית ידרשו עיבוד קוונטי. לכן, אין זה מפתיע שאנחנו צריכים לחפש עיבוד קוונטי במוח האנושי.

אחת ההשערות הפופולריות הראשונות הוצעו על ידי רוג'ר פנרוז, הפיזיקאי המכובד, וסטיוארט האמרוף, רופא מרדים. הם שיערו כי עיבוד קוונטי יכול להתרחש במיקרו -צינורות של נוירונים .6 עם זאת, רוב המדענים היו סקפטיים מכיוון שהמוח נחשב לסביבה חמה, רטובה ורועשת שבה קוהרנטיות קוונטית, המתרחשת בדרך כלל בסביבות מבודדות במיוחד ובטמפרטורות קרות, הייתה בלתי אפשרי להשיג. לא פנרוז ולא האמרוף לא נתנו תגובה מספקת לביקורת זו על התיאוריה שלהם. עם זאת, היו פריצות דרך האחרונות בהארכת זמני הקוהרנטיות וצוותי מחקר ברחבי העולם ממהרים להאריך את זמני הקוהרנטיות בטמפרטורות החדר בהצלחה מסוימת.

רעיונות פורצי דרך של פישר

לאחרונה בשנת 2015, מתיו פישר, פיסיקאי מאוניברסיטת קליפורניה, ייצר מודל שבו ספינים גרעיניים באטומי זרחן יכולים לשמש כקוביטים. מודל זה דומה מאוד למה שנדון בחלק הקודם בכך שהוא פותח במסגרת מעבדה; היוצא מן הכלל הוא שהפעם הוא חל על המוח האנושי, שבו זרחן נמצא בשפע

"האם אנו, עצמנו, יכולים להיות מחשבים קוונטיים, ולא רק רובוטים חכמים שמתכננים ובונים מחשבים קוונטיים?"
מתיו פישר, בן 10

פישר טען בצורה משכנעת ביותר שניתן לבודד מספיק את סיבובי הגרעינים של אטומי הזרחן (על ידי ענן המגן של האלקטרונים סביבו ומגן המגן של מצע של אטומי ספין אפס) וגם להיות פחות "מוסח" על ידי רעש קוונטי בגלל השדה המגנטי החלש שלו (בשל מספר הספין הנמוך שלו), ובכך מאפשר לו לשמור על קוהרנטיות קוונטית. (מחקרי המעבדה שנדונו בחלק הקודם ותוצאות הניסוי אימתו ואישרו עובדה זו.) לכן, בסביבה כמו המוח שבה שדות חשמליים שופעים, גרעיני אטומי הזרחן יהיו בסביבה מספיק מבודדת.

התהליך מתחיל בתא עם תרכובת כימית הנקראת פירופוספט. הוא בנוי משני פוספטים המחוברים יחדיו – כל אחד מורכב מאטום זרחן המוקף באטומי חמצן מרובים עם ספין אפס (מצב דומה לזה של מחקר המעבדה שנדון לעיל, שבו אטום הזרחן שוכן בתוך אטומי סיליקון עם אפס ספין). האינטראקציה בין ספיני הפוספטים גורמת להם להסתבך. אחת התצורות המתקבלות מביאה לסיבוב אפס, או למצב "סינגל" של הסתבכות מרבית. לאחר מכן האנזימים מפרקים את הפוספטים המסתבכים לשני יוני פוספט חופשיים, הממשיכים להסתבך בזמן שהם מתרחקים. פוספטים סבוכים אלה משתלבים בנפרד עם יוני סידן ואטומי חמצן והופכים למולקולות פוזנר, כפי שמוצג להלן.

אשכולות אלה מספקים "מיגון" נוסף לזוגות המסתבכים מהפרעות חיצוניות, כך שהם יכולים לשמור על קוהרנטיות לפרקי זמן ארוכים בהרבה על פני מרחקים ארוכים במוח. כאשר פישר העריך את זמן הקוהרנטיות של המולקולות הללו, הוא יצא כ 105 שניות מדהימות – יום שלם

מה הלאה?

למרות שנדמה שפישר לא מפרט בפירוט את מה שקורה אחר כך – וזה חשוב אם נרצה לקבל את התמונה הכוללת – המחבר הזה ינסה לעשות זאת. הגרעינים הסבוכים הרבים של אטומי הזרחן (בתוך מולקולות פוזנר) יתפרסו על שטח רחב במוח. הם יהיו במצב סופר -פוס, קיים כגלים, זמן מה לפני שהם מתמוטטים. כאשר הקריסה מתרחשת, האלקטרונים באטום מגיבים. אלקטרונים קובעים את התכונות הכימיות של האטומים. לכן, הקריסה גורמת לשינוי התכונות הכימיות של אטומי הזרחן, וכתוצאה מכך מפל של תגובות כימיות ששולחות מפל של מוליכים עצביים לסינפסות של נוירונים. רכבת האותות האלקטרוכימיים משתלבת לאחר מכן ליצירת תפיסה המתפרשת על סמך חוויות החיים של האדם.

זה פותר שאלה ארוכת שנים במדעי המוח שבלבלה מדענים: כיצד המוח מסוגל לשלב מידע מחלקים שונים של המוח כדי ליצור תפיסה מגובשת? אולי בעזרת "מנגנון פישר" (מונח שנטבע לאחרונה על ידי מחבר זה), קריסה בו זמנית של ספינים גרעיניים של אטומי זרחן סבוכים בשכבות ובחלקים שונים של המוח יכולה להיות התשובה.

מגבלות

המגבלה הברורה ביותר היא שכרגע רעיונותיו של פישר לא עברו בדיקות יסודיות, אם כי היבטים מסוימים (למשל זמן הקוהרנטיות הארוך יותר של אטומי זרחן) כבר נבדקו במעבדה. עם זאת, יש תוכניות לעשות זאת. הבדיקה הראשונה תהיה האם קיימות מולקולות פוזנר בנוזלים חוץ -תאיים והאם ניתן לסבך אותן. פישר מציע לבדוק זאת במעבדה על ידי גרימת תגובות כימיות לסבך ספינים גרעיניים של זרחן, ואז לשפוך את הפתרון לשתי מבחנות ולחפש מתאמים קוונטיים באור שניתן.

רוג'ר פנרוז סבור שמנגנון פישר יכול לעזור רק להסביר זיכרון לטווח ארוך אך לא מספיק להסביר את התודעה. לשם כך, למרות שרוב המדענים ספקנים. זה יהיה מעניין אם מולקולות פוזנר (עם חלקיקים סבוכים) ימצאו במיקרו -צינורות אלה – אז הן השערות פישר והן פנרוז -האמרוף יהיו צודקות לפחות חלקית. (כולם אוהבים סוף טוב!)

בְּקִצוּר נִמרָץ

1. הוכח במעבדה כי מחשוב קוונטי עם אטומי זרחן מבודדים ומוגנים מביא לתוצאות מדויקות ביותר וזמני קוהרנטיות ארוכים יותר.

2. זרחן קיים בשפע במוח.

3. המוח האנושי (ואולי המוח של בעלי חיים אחרים) עשוי להשתמש בסיבובים הגרעיניים של אטומי זרחן כקוביטים לביצוע מחשוב קוונטי.

התייחסות

1. תמונה: ג'אנג, ג'יי (2019, 28 בספטמבר). מה מייחד את המחשוב הקוונטי? Medium.com.

2. Pla, J., Tan, K., Dehollain, J., Lim, W., Morton, J., Zwanenburg, F., Jamieson, D., Dzurak, A., & Morello, A. (2013) . קריאת נאמנות גבוהה ושליטה על סיבוב ספין גרעיני בסיליקון. Nature, 496 (7445), 334-338.

3. Dzurak, A. (2014, 15 באוקטובר). קיבוצי סיליקון יכולים להיות המפתח למהפכה קוונטית, SciTech Daily.

4. Muhonen, J., Dehollain, J., Laucht, A., Hudson, F., Kalra, R., Sekiguchi, T., Itoh, K., Jamieson, D., McCallum, J., Dzurak, A ., ומורלו, א. (2014). אחסון מידע קוונטי למשך 30 שניות בהתקן ננו -אלקטרוני. טבע ננו-טכנולוגיה, 9 (12), 986-991.

5. Veldhorst, M., Hwang, J., Yang, C., Leenstra, A., de Ronde, B., Dehollain, J., Muhonen, J., Hudson, F., Itoh, K., Morello, A., & Dzurak, A. (2014). נקודה קווטית שניתן להתייחס אליה עם נאמנות שליטה עמידה בפני תקלות. טבע ננו-טכנולוגיה, 9 (12), 981-985.

6. המרוף, ס 'ופנרוז, ר' (2014). תודעה ביקום. סקירות פיזיקה של החיים, 11 (1), 39-78.

7. Herbschleb, E., Kato, H., Maruyama, Y., Danjo, T., Makino, T., Yamasaki, S., Ohki, I., Hayashi, K., Morishita, H., Fujiwara, M ., & Mizuochi, N. (2019). זמני קוהרנטיות ארוכים במיוחד בין סיבובי מצב מוצק בטמפרטורת החדר. תקשורת טבע, 10 (1), 3766.

8. Miao, K., Blanton, J., Anderson, C., Bourassa, A., Crook, A., Wolfowicz, G., Abe, H., Ohshima, T., & Awschalom, D. (2020) . הגנת קוהרנטיות אוניברסלית בסיבוב של מצב מוצק. מדע, eabc5186.

9. פישר, MPA (2015). הכרה קוונטית: האפשרות לעבד בעזרת ספינים גרעיניים במוח. תולדות הפיזיקה, 362, 593-602.

10. Fernandes, S. (2018, 27 במרץ) האם אנחנו מחשבים קוונטיים? הזרם (מדע + טכנולוגיה).

11. סוויפט, מ ', ואן דה וואל, ג' ופישר, מ '(2018). מולקולות פוזנר: ממבנה אטומי לספינים גרעיניים. פיזיקה כימית פיזיקה כימית, 20 (18), 12373-12380.

12. ברוקס, מ. (2015, 15 בדצמבר). האם הפיזיקה הקוונטית עומדת מאחורי יכולת המוח שלך? מדען חדש.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *