Waarom u om Quantum Neuroscience zou moeten geven

Voor het geval je het nog niet hebt gehoord, kwantumwetenschap is momenteel witgloeiend, met opgewonden gepraat over onvoorstelbaar krachtige kwantumcomputers, ultra-efficiënte kwantumcommunicatie en ondoordringbare cyberveiligheid door middel van kwantumversleuteling.

Waarom alle hype?

Simpel gezegd, de kwantumwetenschap belooft gigantische sprongen voorwaarts in plaats van de babystapjes waaraan we gewend zijn geraakt door de dagelijkse wetenschap. De dagelijkse wetenschap geeft ons bijvoorbeeld nieuwe computers die elke 2-3 jaar in kracht verdubbelen, terwijl de kwantumwetenschap computers belooft met veel triljoenen keren meer kracht dan de meest gespierde computer die momenteel beschikbaar is.

Met andere woorden, kwantumwetenschap zal, indien succesvol, een seismische verschuiving in technologie veroorzaken die de wereld zoals wij die kennen zal hervormen, op nog diepere manieren dan het internet of smartphones deden.

De adembenemende mogelijkheden van de kwantumwetenschap komen allemaal voort uit één simpele waarheid: kwantumverschijnselen breken volledig de regels die beperken wat "klassieke" (normale) verschijnselen kunnen bereiken.

Twee voorbeelden waar de kwantumwetenschap wat voorheen onmogelijk was ineens mogelijk maakt, zijn kwantumsuperpositie en kwantumverstrengeling.

Laten we eerst kwantumsuperpositie aanpakken.

In de normale wereld kan een object zoals een honkbal zich maar op één plaats tegelijk bevinden. Maar in de kwantumwereld kan een deeltje zoals een elektron een oneindig aantal plaatsen innemen tegelijkertijd, bestaande in wat natuurkundigen een superpositie van meerdere staten noemen. Dus in de kwantumwereld gedraagt ​​één ding zich soms als veel verschillende dingen.

Laten we nu eens kijken naar kwantumverstrengeling door de honkbalanalogie een beetje verder uit te breiden. In de normale wereld zijn twee honkballen die in donkere kluisjes in de Major League-stadions in Los Angeles en Boston zitten volledig onafhankelijk van elkaar, zodat als je een van de opbergkasten zou openen om naar het ene honkbal te kijken, er absoluut niets zou gebeuren met het andere honkbal. in een donkere opslagruimte 3.000 mijl verderop. Maar in de kwantumwereld twee afzonderlijke deeltjes, zoals fotonen kan verstrengeld zijn, zodanig dat louter de handeling van het waarnemen van één foton met een detector het andere foton onmiddellijk dwingt, ongeacht hoe ver weg, een bepaalde toestand aan te nemen.

Een dergelijke verstrengeling betekent dat in het kwantumuniversum meerdere afzonderlijke entiteiten zich soms als een enkele entiteit kunnen gedragen, ongeacht hoe ver de afzonderlijke entiteiten van elkaar verwijderd zijn.

Dit zou het equivalent zijn van het veranderen van de staat van een honkbal - bijvoorbeeld, het forceren om op de bovenste of onderste plank van een opbergkast te staan ​​- simpelweg door een opbergkast op 3000 mijl afstand te openen en naar een geheel te staren anders basketbal.

Deze "onmogelijke" gedragingen maken kwantumentiteiten ideaal om het onmogelijke te doen met bijvoorbeeld computers. In normale computers is een opgeslagen bit aan informatie een nul of een een, maar in een kwantumcomputer is een opgeslagen bit, een Qubit (kwantumbit) genaamd, zowel nul als één tegelijk. Dus waar een eenvoudige geheugenopslag van 8 bits elk individueel nummer van 0 tot 255 (2 ^ 8 = 256) kan bevatten, kan een geheugen van 8 Qubits 2 ^ 8 = 256 opslaan aparte nummers alles in een keer! Het vermogen om exponentieel meer informatie op te slaan, is de reden waarom kwantumcomputers een enorme sprong voorwaarts in verwerkingskracht beloven.

In het bovenstaande voorbeeld slaat een 8-bits geheugen in een kwantumcomputer 256 getallen op tussen 0 en 255 allemaal tegelijk, terwijl een 8-bits geheugen in een gewone computer slechts 1 getal tussen 0 en 255 tegelijk opslaat. Stel je nu een 24-bits kwantumgeheugen voor (2 ^ 24 = 16.777.216) met slechts 3 keer zoveel Qubits als ons eerste geheugen: het zou maar liefst 16.777.216 verschillende nummers tegelijk!

Dat brengt ons op het snijvlak van kwantumwetenschap en neurobiologie. Het menselijk brein is een veel krachtigere processor dan welke computer dan ook die tegenwoordig beschikbaar is: bereikt het een deel van deze ontzagwekkende kracht door kwantumvreemdheid te benutten op dezelfde manier als kwantumcomputers?

Tot voor kort was het antwoord van fysici op die vraag een volmondig "Nee".

Kwantumverschijnselen zoals superpositie zijn afhankelijk van het isoleren van die verschijnselen van de omringende omgeving, met name warmte in de omgeving die deeltjes in beweging zet, het hyper-delicate kwantumhuis van kaarten van superpositie verstoort en een bepaald deeltje dwingt om ofwel punt A ofwel punt B te bezetten. , maar nooit beide tegelijk.

Dus wanneer wetenschappers kwantumverschijnselen bestuderen, doen ze er alles aan om het materiaal dat ze bestuderen te isoleren van de omgeving, meestal door de temperatuur in hun experimenten te verlagen tot bijna het absolute nulpunt.

Maar er komt steeds meer bewijs uit de wereld van de plantenfysiologie dat sommige biologische processen die afhankelijk zijn van kwantumsuperpositie plaatsvinden bij normale temperaturen, waardoor de mogelijkheid wordt vergroot dat de onvoorstelbaar vreemde wereld van de kwantummechanica inderdaad kan binnendringen in de dagelijkse werking van andere biologische systemen, zoals onze zenuwstelsel.

In mei 2018 vond bijvoorbeeld een onderzoeksteam van de Rijksuniversiteit Groningen, waaronder natuurkundige Thomas la Cour Jansen, bewijs dat planten en sommige fotosynthetische bacteriën bijna 100% efficiëntie bereiken door zonlicht om te zetten in bruikbare energie door gebruik te maken van het feit dat absorptie van zonne-energie sommige elektronen veroorzaakt in lichtopvangende moleculen die gelijktijdig bestaan ​​in zowel aangeslagen als niet-aangeslagen kwantumtoestanden, verspreid over relatief lange afstanden binnen de plant, waardoor de door licht aangeslagen elektronen het meest efficiënte pad kunnen vinden van de moleculen waar licht wordt opgevangen naar verschillende moleculen waar bruikbare energie is want de plant is gemaakt.

Evolutie lijkt in haar niet aflatende zoektocht om de meest energie-efficiënte levensvormen te construeren, de overtuiging van natuurkundigen te hebben genegeerd dat nuttige kwantumeffecten niet kunnen optreden in de warme, natte omgevingen van de biologie.

De ontdekking van kwantumeffecten in de plantenbiologie heeft geleid tot een geheel nieuw wetenschapsgebied dat kwantumbiologie wordt genoemd. In de afgelopen jaren hebben kwantumbiologen bewijs gevonden van kwantummechanische eigenschappen in de perceptie van magnetische velden in de ogen van sommige vogels (waardoor de vogels kunnen navigeren tijdens migratie), en in de activering van geurreceptoren bij mensen. Visieonderzoekers hebben ook ontdekt dat fotoreceptoren in het menselijk netvlies elektrische signalen kunnen genereren door het vangen van een enkele quanta lichtenergie.

Heeft evolutie onze hersenen ook hyperefficiënt gemaakt in het genereren van bruikbare energie of het verzenden en opslaan van informatie tussen neuronen met behulp van kwantumeffecten zoals superpositie en verstrengeling?

Neurowetenschappers staan ​​nog maar net aan het begin van het onderzoeken van deze mogelijkheid, maar ik ben enthousiast over het ontluikende veld van de kwantumneurowetenschappen, omdat dit zou kunnen leiden tot overweldigende doorbraken in ons begrip van de hersenen.

Ik zeg dit omdat de geschiedenis van de wetenschap ons leert dat de grootste doorbraken bijna altijd voortkomen uit ideeën die, voordat een bepaalde doorbraak plaatsvindt, ongelooflijk raar klinken. Einsteins ontdekking dat ruimte en tijd in feite hetzelfde zijn (algemene relativiteitstheorie) is een voorbeeld, Darwins ontdekking dat mensen evolueerden uit meer primitieve levensvormen, is een ander voorbeeld. En natuurlijk is de ontdekking van Planck, Einstein en Bohr van de kwantummechanica in de eerste plaats nog een andere.

Dit alles impliceert sterk dat de ideeën achter de baanbrekende vorderingen van morgen in de neurowetenschappen, vandaag voor de meeste mensen hoogst onorthodox en onwaarschijnlijk zullen lijken.

Nu, alleen omdat kwantumbiologie in de hersenen raar en onwaarschijnlijk klinkt, kwalificeert het niet automatisch als de bron van de volgende grote sprong voorwaarts in de neurowetenschappen. Maar ik heb het vermoeden dat een dieper begrip van kwantumeffecten in levende systemen belangrijke nieuwe inzichten zal opleveren over onze hersenen en zenuwstelsel, al was het maar om een ​​andere reden, dat het aannemen van een kwantumstandpunt ervoor zorgt dat neurowetenschappers op zoek gaan naar antwoorden in vreemde en prachtige plekken die ze nooit eerder wilden onderzoeken.

En als onderzoekers naar die vreemde en wonderbaarlijke verschijnselen kijken, zouden die verschijnselen, net als hun verwarrende verwanten in de deeltjesfysica, ernaar kunnen terugkijken!