Varför du bör bry dig om kvant neurovetenskap

Om du inte har hört, är kvantvetenskap vit het just nu, med upphetsat samtal om otänkbart kraftfulla kvantdatorer, ultraeffektiv kvantkommunikation och ogenomtränglig cybersäkerhet genom kvantkryptering.

Varför all hype?

Enkelt uttryckt, kvantvetenskap lovar jättehopp framåt istället för de babysteg som vi har vant oss vid genom den dagliga vetenskapen. Daglig vetenskap, till exempel, ger oss nya datorer som fördubblas med kraft vart 2-3 år, medan kvantvetenskap lovar datorer med många biljoner gånger mer kraft än den mest muskulösa datorn som finns idag.

Med andra ord kommer kvantvetenskap, om den lyckas, att producera ett seismiskt skifte i teknik som kommer att omforma världen som vi känner den på ännu djupare sätt än Internet eller smartphones gjorde.

Kvantvetenskapens fantastiska möjligheter härrör från en enkel sanning: kvantfenomen bryter helt reglerna som begränsar vad ”klassiska” (normala) fenomen kan åstadkomma.

Två exempel där kvantvetenskap plötsligt möjliggör det som tidigare var omöjligt, är kvantöverlagring och kvantförtrassling.

Låt oss ta itu med kvantöverlägsenhet först.

I den normala världen kan ett objekt som en baseboll bara vara på en plats åt gången. Men i kvantvärlden kan en partikel som en elektron uppta ett oändligt antal platser på samma gång, existerande i vad fysiker kallar en superposition av flera tillstånd. Så i kvantvärlden beter sig en sak ibland som många olika saker.

Låt oss nu undersöka kvanttrassel genom att utöka baseballanalogin lite längre. I den normala världen är två basbollar som sitter i mörka skåp på stora ligastadioner i Los Angeles och Boston helt oberoende av varandra, så att om du öppnade ett av förvaringsskåpen för att titta på en baseball, skulle absolut ingenting hända med den andra baseboll i ett mörkt förvaringsskåp 3000 mil bort. Men i kvantvärlden två individuella partiklar, såsom fotoner burk vara intrasslad, så att bara det att känna av en foton med en detektor omedelbart tvingar den andra foton, oavsett hur långt borta, att anta ett visst tillstånd.

En sådan intrassling innebär att i kvantuniversumet kan flera distinkta enheter ibland bete sig som en enda enhet, oavsett hur långt ifrån varandra de distinkta enheterna är.

Detta skulle motsvara att ändra tillståndet för en baseboll - säg, tvinga den att vara på den övre kontra den nedre hyllan i ett förvaringsskåp - helt enkelt genom att öppna ett förvaringsskåp 3 000 mil bort och titta på ett helt annorlunda baseboll.

Dessa "omöjliga" beteenden gör kvanteenheter idealiska för att göra det omöjliga med till exempel datorer. I vanliga datorer är en lagrad bit information antingen en noll eller en, men i en kvantdator är en lagrad bit, kallad Qubit (kvantbit), både noll och en samtidigt. Där ett enkelt minneslager på 8 bitar kan innehålla vilket som helst individuellt nummer från 0 till 255 (2 ^ 8 = 256) kan ett minne på 8 Qubits lagra 2 ^ 8 = 256 separata nummer allt på en gång! Förmågan att lagra exponentiellt mer information är varför kvantdatorer lovar ett kvantfall i processorkraft.

I exemplet ovan lagrar ett 8-bitars minne i en kvantdator 256 nummer mellan 0 och 255 samtidigt samtidigt som ett 8-bitars minne i en vanlig dator endast lagrar ett nummer mellan 0 och 255 åt gången. Föreställ dig nu ett 24-bitars kvantminne (2 ^ 24 = 16777216) med bara tre gånger så många Qubits som vårt första minne: det kan lagra en hel del 16 777 216 olika nummer på en gång!

Vilket tar oss till skärningspunkten mellan kvantvetenskap och neurobiologi. Den mänskliga hjärnan är en mycket kraftfullare processor än någon dator som finns idag: uppnår den en del av denna fantastiska kraft genom att utnyttja kvantens konstighet på samma sätt som kvantdatorer gör?

Fram till mycket nyligen har fysikernas svar på den frågan varit ett rungande "nej".

Kvantfenomen som superposition förlitar sig på att isolera dessa fenomen från den omgivande miljön, särskilt värme i omgivningen som sätter partiklar i rörelse, som stör det hyper-känsliga kvanthuset av superposition och tvingar en viss partikel att uppta antingen punkt A eller punkt B , men aldrig båda samtidigt.

Således, när forskare studerar kvantfenomen, går de mycket långt för att isolera materialet de studerar från den omgivande miljön, vanligtvis genom att sänka temperaturen i sina experiment till nästan absolut noll.

Men bevis växer fram från världen av växtfysiologi att vissa biologiska processer som är beroende av kvantöverlagring sker vid normala temperaturer, vilket ökar möjligheten att otänkbart konstig värld av kvantmekanik verkligen kan tränga in i det dagliga arbetet i andra biologiska system, som vår nervsystem.

Till exempel, i maj 2018 fann ett forskargrupp vid Groningen University som inkluderade fysikern Thomas la Cour Jansen bevis för att växter och vissa fotosyntetiska bakterier uppnår nästan 100% effektivitet som omvandlar solljus till användbar energi genom att utnyttja det faktum att absorption av solenergi orsakar vissa elektroner i ljusfångande molekyler att existera samtidigt i både exciterade och icke-exciterade kvanttillstånd spridda över relativt långa avstånd inuti växten, vilket gör att de ljusupphetsade elektronerna kan hitta den mest effektiva vägen från molekylerna där ljus fångas upp till olika molekyler där användbar energi för växten skapas.

Evolution, i sin obevekliga strävan att konstruera de mest energieffektiva livsformerna, verkar ha ignorerat fysikerns tro att användbara kvanteffekter inte kan hända i de varma, våta miljöerna i biologin.

Upptäckten av kvanteffekter i växtbiologi har gett upphov till ett helt nytt vetenskapsområde som kallas kvantbiologi. Under de senaste åren har kvantbiologer upptäckt bevis för kvantmekaniska egenskaper i magnetfältuppfattningen i vissa fågels ögon (vilket gör att fåglarna kan navigera under migration) och i aktivering av luktreceptorer hos människor. Visionsforskare har också upptäckt att fotoreceptorer i den mänskliga näthinnan kan generera elektriska signaler från fångsten av en enda kvantitet ljusenergi.

Gjorde evolutionen också våra hjärnor hypereffektiva för att generera användbar energi eller överföra och lagra information bland neuroner med hjälp av kvanteffekter som superposition och intrassling?

Neurovetenskapsmän är i början av att undersöka denna möjlighet, men jag är för det första upphetsad över det växande fältet för kvantneurovetenskap eftersom det kan leda till genombrott i käken i vår förståelse av hjärnan.

Jag säger detta för att vetenskapens historia lär oss att de största genombrotten nästan alltid kommer från idéer som innan ett visst genombrott låter otroligt konstigt. Einsteins upptäckt att rum och tid verkligen är samma sak (allmän relativitet) är ett exempel, Darwins upptäckt att människor utvecklats från mer primitiva livsformer, är ett annat. Och naturligtvis är Planck, Einstein och Bohrs upptäckt av kvantmekanik i första hand ännu en.

Allt detta antyder starkt att idéerna bakom morgondagens spel som förändrar framstegen inom neurovetenskap idag för de flesta kommer att verka mycket oortodoxa och osannolika.

Nu, bara för att kvantbiologi i hjärnan låter konstigt och osannolikt, kvalificerar det inte automatiskt att det är källan till nästa jättehopp framåt inom neurovetenskap. Men jag har en aning om att en djupare förståelse för kvanteffekter i levande system kommer att ge viktiga nya insikter om våra hjärnor och nervsystem, om inte av någon annan anledning, att antagandet av en kvantperspektiv kommer att få neurovetenskapare att leta efter svar i konstiga och underbara platser som de aldrig funderat på att utreda tidigare.

Och när utredare tittar på dessa konstiga och underbara fenomen, kan dessa fenomen, liksom deras trasslande kusiner i partikelfysiken, se tillbaka på dem!