Er vi kvantecomputere? Internationalt samarbejde vil undersøge hjernens potentiale for kvanteberegning

Der er gjort meget ud af kvanteberegningsprocesser ved hjælp af ultrakølede atomer og ioner, superledende kryds og defekter i diamanter, men kunne vi udføre dem i vores egen hjerne?

Det er et spørgsmål UC Santa Barbara teoretiske fysiker Matthew Fisher har stillet i årevis. Nu, som videnskabelig direktør for det nye Quantum Brain Project (QuBrain), han søger at stille denne undersøgelse gennem strenge eksperimentelle tests.

"Kan vi, os selv, være kvantecomputere, snarere end bare smarte robotter, der designer og bygger kvantecomputere? "spørger Fisher.

Nogle funktioner, hjernen udfører, fortsætter med at undgå neurovidenskaben-substratet, der "rummer" meget langsigtede minder, og hvordan det fungerer, for eksempel. Kvantemekanik, som omhandler naturens adfærd på atomært og subatomært niveau, kan muligvis låse nogle spor op. Og det kan igen have store konsekvenser på mange niveauer, fra kvanteberegning og materialevidenskab til biologi, mental sundhed og endda hvad det er at være menneske.

Ideen om kvanteberegning i vores hjerner er ikke en ny. Faktisk, det har gjort runderne i et stykke tid med nogle forskere, såvel som dem med mindre videnskabelige tilbøjeligheder. Men Fisher, en verdenskendt ekspert inden for kvantemekanik, har identificeret et præcist - og unikt - sæt af biologiske komponenter og nøglemekanismer, der kunne danne grundlag for kvantebehandling i hjernen. Med 1,2 millioner dollar i tilskudsfinansiering over tre år fra Heising-Simons Foundation, Fisher lancerer QuBrain -samarbejdet på UCSB. Består af et internationalt team af førende forskere, der spænder over kvantefysik, molekylær Biologi, biokemi, kolloid videnskab og adfærdsmæssig neurovidenskab, projektet vil søge eksplicit eksperimentelt bevis for at svare på, om vi faktisk kan være kvantecomputere.

"Vi er ekstremt taknemmelige over for Heising-Simons Foundation for den dristige vision om at yde dette projekt på grænsen til kvante- og neurovidenskab, "sagde UC Santa Barbara -kansler Henry T. Yang." Professor Matthew Fisher er en enestående kvantefysiker som det fremgår af Oliver E. Buckley -prisen, han delte i 2015 for sin forskning i kvantefaseovergange. Nu træder han ud af sine traditionelle teoretiske forskningsrammer, at samle et internationalt team af eksperter til at udvikle et eksperimentelt baseret forskningsprogram, der vil afgøre, om der findes kvanteprocesser i hjernen. Deres forskning kunne kaste nyt lys over, hvordan hjernen fungerer, hvilket kan føre til nye protokoller for mental sundhed. Som sådan, vi venter ivrigt på resultaterne af QuBrains forskningssamarbejde i de kommende år. "

"Hvis spørgsmålet om, hvorvidt kvanteprocesser finder sted i hjernen, besvares bekræftende, det kunne revolutionere vores forståelse og behandling af hjernefunktion og menneskelig erkendelse, "sagde Matt Helgeson, en UCSB -professor i kemiteknik og associeret direktør ved QuBrain.

Biokemiske Qubits

Kendetegnene for kvantecomputere ligger i adfærden hos de uendelige systemer af atomer og ioner, som kan manifestere "qubits" (f.eks. "spins"), der udviser kvanteindvikling. Flere qubits kan danne netværk, der koder, gemme og videregive oplysninger, analog med de digitale bits i en konventionel computer. I de kvantecomputere, vi forsøger at bygge, disse effekter genereres og vedligeholdes i stærkt kontrollerede og isolerede miljøer og ved lave temperaturer. Så den varme, våd hjerne betragtes ikke som et befordrende miljø til at udvise kvanteeffekter, da de let skal "vaskes ud" af termisk bevægelse af atomer og molekyler.

Imidlertid, Fisher hævder, at atomspin (i atomets kerne, frem for de omgivende elektroner) giver en undtagelse fra reglen.

"Ekstremt godt isolerede nukleare spins kan lagre-og måske behandle-kvanteinformation om menneskelige tidsskalaer på timer eller længere, "sagde han. Fisher hævder, at fosforatomer - et af de mest rigelige elementer i kroppen - har det nødvendige nukleare spin, der kan tjene som en biokemisk qubit. Et af de eksperimentelle tiltag i samarbejdet vil være at overvåge fosforets kvanteegenskaber. atomer, især sammenfiltring mellem to fosfor -nukleare spins, når de er bundet sammen i et molekyle, der gennemgår biokemiske processer.

I mellemtiden, Helgeson og Alexej Jerschow, professor i kemi ved New York University, vil undersøge dynamikken og nukleare spin i Posner-molekyler-sfærisk formede calciumphosphat-nanoklynger-og om de har evnen til at beskytte nukleare spins af fosforatom qubits, som kunne fremme lagring af kvanteinformation. De vil også undersøge potentialet for ikke-lokal kvanteinformationsbehandling, der kan aktiveres ved parbinding og adskillelse af Posner-molekyler.

Indviklede neuroner

I et andet sæt eksperimenter, Tobias Fromme, en videnskabsmand ved det tekniske universitet i München, vil studere mitokondriernes potentielle bidrag til sammenfiltring og deres kvantekobling til neuroner. Han vil afgøre, om disse cellulære organeller - ansvarlige for funktioner som metabolisme og cellesignalering - kan transportere Posner -molekyler inden for og mellem neuroner via deres rørformede netværk. Fusionering og fissionering af mitokondrier kan muliggøre etablering af ikke-lokal intra- og intercellulær kvanteindvikling. Efterfølgende adskillelse af Posner -molekyler kan udløse frigivelse af calcium, korreleret på tværs af mitokondrie -netværket, aktivering af neurotransmitterfrigivelse og efterfølgende synaptisk affyring på tværs af det, der i det væsentlige ville være et kvantekoblet netværk af neuroner - et fænomen, som Fromme vil søge at efterligne in vitro.

Muligheden for kognitiv nuklear spin-behandling kom til Fisher delvist gennem undersøgelser udført i 1980'erne, der rapporterede en bemærkelsesværdig lithium-isotopafhængighed af moderrotters adfærd. Selvom det får det samme element, deres adfærd ændrede sig dramatisk afhængigt af antallet af neutroner i lithiumkernerne. Hvad for de fleste mennesker ville være en ubetydelig forskel var for en kvantefysiker som Fisher en grundlæggende betydelig forskel, hvilket tyder på vigtigheden af ​​atomspins. Aaron Ettenberg, UCSB Distinguished Professor of Psychological &Brain Sciences, vil lede undersøgelser, der søger at replikere og udvide disse lithiumisotopforsøg.

"Hvor sandsynligt du end bedømmer Matthew Fishers hypotese, ved at teste det gennem QuBrains samarbejdende forskningstilgang vil vi udforske neuronal funktion med topmoderne teknologi fra helt nye vinkler og med et enormt opdagelsespotentiale, sagde Fromme. Tilsvarende ifølge Helgeson, forskning udført af QuBrain har potentiale for gennembrud inden for biomaterialer, biokemisk katalyse, kvanteforvikling i løsningskemi og humørsvingninger hos mennesker, uanset om kvanteprocesser faktisk finder sted i hjernen eller ej.