Мы квантовые компьютеры?

09.04.2018

Многое сделано из квантовых вычислительных процессов с использованием ультрахолодных атомов и ионов, сверхпроводящих соединений и дефектов в алмазах, но можем ли мы выполнять их в наших собственных мозгах?

Это вопрос, который теоретический физик Калифорнийского университета Санта-Барбара Мэтью Фишер просил годами. Теперь, будучи научным руководителем нового проекта Quantum Brain Project (QuBrain), он пытается поставить это исследование на тщательные экспериментальные испытания.

«Можем ли мы сами быть квантовыми компьютерами, а не просто умными роботами, которые проектируют и строят квантовые компьютеры?» - спрашивает Фишер.

Некоторые функции, которые выполняет мозг, продолжают ускользать от нейронауки - субстрата, который «хранит» очень долговременные воспоминания и как он действует, например. Квантовая механика, которая занимается поведением природы на атомном и субатомном уровнях, может разблокировать некоторые подсказки. И это, в свою очередь, может иметь серьезные последствия для многих уровней - от квантовых вычислений и материаловедения до биологии, психического здоровья и даже того, что должно быть человеком.

Идея квантовых вычислений в нашем мозгу не новая. Фактически, он несколько раз готовил раунды с некоторыми учеными, а также с менее научными подходами. Но Фишер, всемирно известный эксперт в области квантовой механики, определил точный и уникальный набор биологических компонентов и ключевых механизмов, которые могли бы стать основой для квантовой обработки в мозге. Благодаря гранту в размере 1,2 млн. Долл. США в течение трех лет от Фонда Heising-Simons, Fisher начнет сотрудничество QuBrain в UCSB. В составе международной группы ведущих ученых, занимающейся квантовой физикой, молекулярной биологией, биохимией, коллоидной наукой и поведенческой нейронаукой, проект будет искать явные экспериментальные данные, чтобы ответить, действительно ли мы можем быть квантовыми компьютерами.

«Мы чрезвычайно благодарны Фонду Heising-Simons за смелое видение в предоставлении этого проекта на самой границе квантовой и нейронауки», - сказал канцлер Калифорнийского университета Санта-Барбара Генри Т. Ян. «Профессор Мэтью Фишер - выдающийся физик-квантик, о чем свидетельствует премия Оливера Э. Бакли, которую он разделил в 2015 году для своих исследований квантовых фазовых переходов. Теперь он выходит из своей традиционной теоретической основы исследований, собирая международную команду экспертов для разработки экспериментальной программы исследований, которая определит, существуют ли квантовые процессы в мозге. Их исследования могут пролить свет на то, как работает мозг, что может привести к новым протоколам лечения психического здоровья. Таким образом, мы с нетерпением ожидаем результатов совместных исследований QuBrain в предстоящие годы ».

«Если вопрос о том, происходят ли квантовые процессы в мозге, утверждается, это может революционизировать наше понимание и лечение функций мозга и человеческого познания», - сказал Мэтт Хельгесон (Matt Helgeson) , профессор химического машиностроения и помощник директора UCSB в QuBrain.

Биохимические кубиты Ключи

квантовых компьютеров заключаются в поведении бесконечно малых систем атомов и ионов, которые могут проявлять «кубиты» (например, «спины»), которые проявляют квантовую перепутывание. Несколько кубитов могут создавать сети, которые кодируют, хранят и передают информацию, аналогичную цифровым битам на обычном компьютере. В квантовых компьютерах, которые мы пытаемся построить, эти эффекты генерируются и поддерживаются в сильно контролируемых и изолированных средах и при низких температурах. Таким образом, теплый, влажный мозг не считается благоприятной средой для проявления квантовых эффектов, поскольку их следует легко «размывать» тепловым движением атомов и молекул.

Однако Фишер утверждает, что ядерные спины (в основе атома, а не окружающие электроны) являются исключением из правила.

«Чрезвычайно хорошо изолированные ядерные спины могут хранить и, возможно, обрабатывать квантовую информацию о человеческих временных масштабах часов или дольше», - сказал он. Фишер утверждает, что атомы фосфора - один из самых распространенных элементов в организме - имеют необходимый ядерный спин, который может служить биохимическим кубитом. Одним из экспериментальных направлений сотрудничества будет мониторинг квантовых свойств атомов фосфора, в частности, переплетение между двумя ядерными спинами фосфора при связывании в молекуле, подвергающейся биохимическим процессам.

Между тем, Хельгезон и Алексей Хиршов , профессор химии в Нью-Йоркском университете, будут исследовать динамику и ядерный спин молекул Познера - сферически сформированные нанокластеры фосфата кальция - и обладают ли они способностью защищать ядерные спины атома фосфора кубитов, которые могли бы способствовать хранению квантовой информации. Они также изучат потенциал для обработки нелокальной квантовой информации, которая может быть активирована путем пареобмена и диссоциации молекул Познера.

Запутанные нейроны

В другом эксперименте Тобиас Фромме, ученый Мюнхенского технического университета, изучит потенциальный вклад митохондрий в запутывание и их квантовую связь с нейронами. Он определит, могут ли эти клеточные органеллы, ответственные за такие функции, как обмен веществ и сигнализация клеток, переносить молекулы Познера внутри и между нейронами через их трубчатые сети. Сплавление и деление митохондрий могло позволить установить нелокальное внутри- и межклеточное квантовое переплетение. Последующая диссоциация молекул Познера может вызвать высвобождение кальция, коррелировать через митохондриальную сеть, активировать высвобождение нейротрансмиттера и последующую синаптическую стрельбу по сравнению с тем, что по существу является квантово связанной сетью нейронов - феноменом, который Фромме будет стремиться эмулировать in vitro.

Возможность когнитивной обработки ядерным спином пришла к Фишеру частично благодаря исследованиям, проведенным в 1980-х годах, в которых сообщалось о значительной изотопной зависимости лития от поведения матери-крыс. Несмотря на то, что они получили один и тот же элемент, их поведение резко изменилось в зависимости от количества нейтронов в ядрах лития. То, что большинству людей было бы незначительным, было то, что квантовый физик, такой как Фишер, имел принципиально значимое несоответствие, что указывало на важность ядерных спинов. Аарон Эттенберг , уважаемый профессор психологических и мозговых наук UCSB, проведет исследования, направленные на повторение и расширение этих экспериментов с изотопом лития.

«Скорее всего, вы будете судить о гипотезе Мэтью Фишера, протестировав ее в рамках совместного исследовательского подхода QuBrain, мы будем исследовать нейронную функцию с новейшими технологиями из совершенно новых ракурсов и с огромным потенциалом для обнаружения», - сказал Фромме. Точно так же, по словам Хельгесона, исследование, проведенное QuBrain, имеет потенциал для прорывов в области биоматериалов, биохимического катализа, квантовой запутанности в химии растворов и расстройств настроения у людей, независимо от того, действительно ли происходят квантовые процессы в мозге.

Источник: UC Санта-Барбара

Понравилась статья? Подписывайся на наш научный канал