Kwa nini Unapaswa Kujali Kuhusu Neuroscience ya Quantum

Ikiwa haujasikia, Sayansi ya Quantum ni nyeupe nyeupe hivi sasa, na mazungumzo ya kusisimua ya kompyuta zenye nguvu zisizo na kifani, mawasiliano ya kiwango cha juu na usalama usioweza kuingiliwa kupitia usimbuaji wa idadi.

Kwa nini Hype yote?

Kuweka tu, Sayansi ya Quantum inaahidi kuruka kubwa mbele badala ya hatua za watoto ambazo tumezoea kupitia sayansi ya kila siku. Sayansi ya kila siku, kwa mfano, inatupa kompyuta mpya ambazo zina nguvu mara mbili kila baada ya miaka 2-3, wakati Sayansi ya Quantum inaahidi kompyuta na nyingi matrilioni ya nyakati nguvu zaidi kuliko kompyuta yenye misuli zaidi inayopatikana leo.

Kwa maneno mengine Sayansi ya Quantum, ikiwa imefanikiwa, itatoa mabadiliko ya mtetemeko wa teknolojia ambayo itabadilisha ulimwengu kama tunavyoijua, kwa njia kubwa zaidi kuliko mtandao au simu mahiri.

Uwezekano wa kupumua wa sayansi ya Quantum yote hutoka kwa ukweli mmoja rahisi: matukio ya quantum huvunja kabisa sheria ambazo zinaweka kikomo kile "mambo ya kawaida" (ya kawaida) yanaweza kutimiza.

Mifano miwili ambapo sayansi ya Quantum inafanya kile kilichokuwa kisichowezekana kutokea ghafla, ni kuongezewa kwa quantum na msongamano wa quantum.

Wacha tushughulikie preposition ya quantum kwanza.

Katika ulimwengu wa kawaida, kitu kama baseball inaweza kuwa katika sehemu moja kwa wakati mmoja. Lakini katika ulimwengu wa kiasi, chembe kama elektroni inaweza kuchukua idadi kubwa ya maeneo wakati huo huo, zilizopo katika kile wanafizikia huita superposition ya majimbo mengi. Kwa hivyo katika ulimwengu wa hesabu, jambo moja wakati mwingine hufanya kama vitu vingi tofauti.

Sasa wacha tuchunguze usumbufu wa idadi kwa kupanua mlinganisho wa baseball zaidi kidogo. Katika ulimwengu wa kawaida baseball mbili zilizoketi kwenye kabati zenye giza kwenye viwanja vya ligi kuu huko Los Angeles na Boston zinajitegemea kabisa, kama kwamba ikiwa ungefungua kabati moja ya kuhifadhi kutazama baseball moja, hakuna chochote kitakachotokea kwa baseball nyingine katika kabati la kuhifadhi giza umbali wa maili 3,000. Lakini katika ulimwengu wa hesabu, chembe mbili za kibinafsi, kama picha unaweza kunaswa, kama kwamba kitendo tu cha kuhisi photon moja na kipelelezi mara moja hulazimisha photon nyingine, bila kujali ni mbali gani, kuchukua hali fulani.

Usumbufu kama huo unamaanisha kuwa katika ulimwengu wa idadi kubwa, vyombo kadhaa tofauti wakati mwingine vinaweza kuishi kama kitu kimoja, bila kujali ni vipi vyombo tofauti viko mbali.

Hii itakuwa sawa na kubadilisha hali ya besiboli moja — sema, kuilazimisha iwe juu juu ya rafu ya chini ya kabati la kuhifadhi-kwa kufungua tu kabati la kuhifadhi maili 3,000 na kutazama kabisa tofauti baseball.

Tabia hizi "zisizowezekana" hufanya vitu vya kiasi kuwa bora kwa kufanya yasiyowezekana na, kwa mfano, kompyuta. Katika kompyuta za kawaida habari kidogo iliyohifadhiwa inaweza kuwa sifuri au moja, lakini katika kompyuta ya kiasi kiasi kilichohifadhiwa, kinachoitwa Qubit (kiasi cha kiasi), ni sifuri na moja kwa wakati mmoja. Kwa hivyo, ambapo duka rahisi ya kumbukumbu ya bits 8 inaweza kuwa na nambari yoyote ya mtu kutoka 0 hadi 255 (2 ^ 8 = 256) kumbukumbu ya Qubits 8 inaweza kuhifadhi 2 ^ 8 = 256 namba tofauti wote mara moja! Uwezo wa kuhifadhi habari zaidi ni kwa nini kompyuta za quantum zinaahidi kuruka kwa nguvu katika usindikaji wa nguvu.

Katika mfano hapo juu, kumbukumbu 8 kidogo kwenye kompyuta ya idadi huhifadhi nambari 256 kati ya 0 na 255 zote mara moja wakati kumbukumbu ya 8 kwenye kompyuta ya kawaida huhifadhi nambari 1 tu kati ya 0 na 255 kwa wakati mmoja. Sasa fikiria kumbukumbu ya kiasi kidogo cha 24 (2 ^ 24 = 16,777,216) na mara 3 tu ya Qubits nyingi kama kumbukumbu yetu ya kwanza: inaweza kuhifadhi Nambari 16,777,216 tofauti mara moja!

Ambayo hutuleta kwenye makutano ya Sayansi ya Quantum na neurobiolojia. Ubongo wa kibinadamu ni processor yenye nguvu zaidi kuliko kompyuta yoyote inayopatikana leo: je! Inafanikisha nguvu hii ya kushangaza kwa kutumia uzani wa kiasi kwa njia ile ile ambayo kompyuta za quantum hufanya?

Hadi hivi karibuni, jibu la wanafizikia kwa swali hilo limekuwa "Hapana".

Matukio kama vile kuongezewa hutegemea kutenganisha matukio hayo kutoka kwa mazingira ya karibu, haswa joto katika mazingira ambayo huweka chembe, na kukasirisha nyumba yenye nguvu ya kadi ya juu na kulazimisha chembe fulani kuchukua sehemu ya A au kumweka B , lakini sio zote mbili kwa wakati mmoja.

Kwa hivyo, wakati wanasayansi wanaposoma matukio ya kadiri wanaenda kwa urefu sana kutenganisha nyenzo wanazojifunza kutoka kwa mazingira ya karibu, kawaida kwa kupunguza joto katika majaribio yao hadi sifuri kabisa.

Lakini ushahidi unaongezeka kutoka kwa ulimwengu wa fiziolojia ya mimea kwamba michakato fulani ya kibaolojia inayotegemea kiwango cha juu cha kiwango cha juu hufanyika kwa joto la kawaida, ikiongeza uwezekano kwamba ulimwengu wa kushangaza wa fundi wa quantum kweli unaweza kuingilia utendaji wa kila siku wa mifumo mingine ya kibaolojia, kama vile mifumo ya neva.

Kwa mfano, mnamo Mei 2018 timu ya utafiti katika Chuo Kikuu cha Groningen iliyojumuisha mwanafizikia Thomas la Cour Jansen iligundua ushahidi kwamba mimea na bakteria wengine wa photosynthetic wanafikia ufanisi karibu 100% kubadilisha mionzi ya jua kuwa nishati inayotumika kwa kutumia ukweli kwamba kunyonya kwa nishati ya jua husababisha elektroni zingine molekuli za kukamata mwanga kuwapo wakati huo huo katika majimbo ya msisimko na yasiyo ya kusisimua yaliyoenea katika umbali mrefu ndani ya mmea, ikiruhusu elektroni zenye msisimko mdogo kupata njia bora zaidi kutoka kwa molekuli ambapo nuru hupigwa kwa molekuli tofauti ambazo nishati inayoweza kutumika kwa mmea umeundwa.

Mageuzi, katika harakati zake za kukata tamaa za kutengeneza njia za maisha zenye ufanisi zaidi wa nishati, inaonekana kupuuza imani ya wanafizikia kwamba athari muhimu za idadi kubwa haziwezi kutokea katika mazingira ya joto na ya mvua ya baiolojia.

Ugunduzi wa athari za kiasi katika baiolojia ya mimea imesababisha uwanja mpya kabisa wa sayansi iitwayo biolojia ya quantum. Katika miaka michache iliyopita, wataalam wa biolojia wamegundua uthibitisho wa mali ya mitambo katika mtazamo wa uwanja wa sumaku machoni mwa ndege (ikiwasaidia ndege kusafiri wakati wa uhamiaji), na katika uanzishaji wa vipokezi vya harufu kwa wanadamu. Watafiti wa maono pia wamegundua kuwa picha za picha katika retina ya mwanadamu zina uwezo wa kutoa ishara za umeme kutoka kwa kukamata quanta moja ya nishati nyepesi.

Je! Mageuzi pia yalifanya akili zetu ziwe na ufanisi mkubwa katika kuzalisha nishati inayoweza kutumika au kupeleka na kuhifadhi habari kati ya neurons kutumia athari za kiasi kama vile kuongezewa na msongamano?

Wanasayansi wa neva ni mwanzoni kabisa wa kuchunguza uwezekano huu, lakini mimi kwa moja ninafurahi juu ya uwanja mdogo wa neuroscience kwa sababu inaweza kusababisha mafanikio ya kuacha taya katika ufahamu wetu wa ubongo.

Ninasema hivi kwa sababu historia ya sayansi inatufundisha kuwa mafanikio makubwa karibu kila wakati hutoka kwa maoni ambayo, kabla ya mafanikio fulani kutokea, sauti ya kushangaza sana. Ugunduzi wa Einstein kwamba nafasi na wakati ni kitu sawa (uhusiano wa jumla) ni mfano mmoja, ugunduzi wa Darwin kwamba wanadamu walibadilika kutoka kwa aina za maisha ya zamani zaidi, ni mwingine. Na kwa kweli, ugunduzi wa Planck, Einstein na Bohr wa ufundi wa quantum kwanza, ni mwingine.

Yote ambayo inamaanisha sana kwamba maoni nyuma ya mchezo wa kesho kubadilisha maendeleo katika sayansi ya akili, leo itaonekana kwa watu wengi kuwa isiyo ya kawaida na isiyowezekana.

Sasa, kwa sababu tu biolojia ya quantum kwenye ubongo inasikika kuwa ya kushangaza na isiyowezekana haistahiki moja kwa moja kuwa chanzo cha kuruka mbele kubwa katika neuroscience. Lakini nina hunch kwamba ufahamu wa kina wa athari za idadi katika mifumo ya maisha itatoa ufahamu mpya muhimu juu ya akili zetu na mifumo ya neva, ikiwa hakuna sababu nyingine yoyote, kwamba kupitisha maoni ya kiasi kutasababisha wanasayansi wa neva kutafuta majibu kwa kushangaza na maeneo mazuri ambayo hawajawahi kufikiria kuchunguza hapo awali.

Na wachunguzi wanapoangalia matukio hayo ya ajabu na ya ajabu, matukio hayo, yanaweza, kama binamu zao wanaoshikana katika fizikia ya chembe, waangalie tena!