Mengapa Anda Perlu Mengenai Neurosains Quantum

Sekiranya anda belum pernah mendengar, sains Quantum menjadi panas sekarang, dengan perbincangan mengenai komputer kuantum yang luar biasa kuat, komunikasi kuantum yang sangat efisien dan keselamatan siber yang tidak dapat ditembusi melalui penyulitan kuantum.

Mengapa semua gembar-gembur?

Ringkasnya, sains Quantum menjanjikan lompatan raksasa dan bukannya langkah bayi yang sudah biasa kita lakukan melalui sains seharian. Sains setiap hari, misalnya, memberi kita komputer baru yang berkuasa dua kali ganda setiap 2-3 tahun, sedangkan sains Quantum menjanjikan komputer dengan banyak trilion kali lebih banyak kuasa daripada komputer yang paling berotot yang ada sekarang.

Dengan kata lain sains Quantum, jika berjaya, akan menghasilkan perubahan teknologi seismik yang akan membentuk semula dunia seperti yang kita ketahui, dengan cara yang lebih mendalam daripada yang dilakukan oleh Internet atau telefon pintar.

Kemungkinan menakjubkan sains Quantum semuanya timbul dari satu kebenaran sederhana: fenomena kuantum sepenuhnya melanggar peraturan yang membatasi apa yang dapat dicapai oleh fenomena “klasik” (normal).

Dua contoh di mana sains Quantum menjadikan sesuatu yang mustahil tiba-tiba mungkin, adalah superposisi kuantum dan keterikatan kuantum.

Mari kita atasi superposisi kuantum terlebih dahulu.

Dalam dunia normal, objek seperti besbol hanya boleh berada di satu tempat pada satu masa. Tetapi di dunia kuantum, zarah seperti elektron dapat menempati sejumlah tempat yang tidak terbatas pada masa yang sama, wujud dalam apa yang disebut oleh ahli fizik sebagai superposisi pelbagai keadaan. Jadi di dunia kuantum, satu perkara kadang-kadang berkelakuan seperti banyak perkara yang berbeza.

Sekarang mari kita kaji keterikatan kuantum dengan memperluas analogi besbol sedikit lebih jauh. Dalam dunia biasa dua bola keranjang yang duduk di loker gelap di stadium liga utama di Los Angeles dan Boston benar-benar bebas antara satu sama lain, sehingga jika anda membuka salah satu loker simpanan untuk melihat satu besbol, sama sekali tidak akan terjadi pada baseball yang lain di loker simpanan gelap sejauh 3,000 batu. Tetapi di dunia kuantum, dua zarah individu, seperti foton boleh terjerat, sedemikian rupa sehingga tindakan hanya mendeteksi satu foton dengan pengesan secara seketika memaksa foton yang lain, tidak kira berapa jauh, untuk menganggap keadaan tertentu.

Penjeratan semacam itu bermaksud bahawa di alam semesta kuantum, beberapa entiti yang berbeza kadang-kadang boleh bertindak sebagai satu entiti, tidak kira seberapa jauhnya entiti yang berbeza itu.

Ini akan sama dengan mengubah keadaan satu baseball — katakanlah, memaksanya berada di rak atas & bawah loker simpanan — hanya dengan membuka loker simpanan 3.000 batu jauhnya dan memandang sepenuhnya berbeza besbol.

Tingkah laku "mustahil" ini menjadikan entiti kuantum sesuai untuk melakukan yang mustahil dengan, misalnya, komputer. Dalam komputer biasa, sedikit maklumat yang disimpan sama ada sifar atau satu, tetapi dalam komputer kuantum bit yang tersimpan, yang disebut Qubit (bit kuantum), sama-sama sifar dan satu pada masa yang sama. Oleh itu, di mana penyimpanan memori 8 bit boleh mengandungi nombor individu dari 0 hingga 255 (2 ^ 8 = 256) memori 8 Qubits boleh menyimpan 2 ^ 8 = 256 nombor berasingan serentak! Keupayaan untuk menyimpan lebih banyak maklumat adalah mengapa komputer kuantum menjanjikan lompatan kuantum dalam daya pemprosesan.

Dalam contoh di atas, memori 8 bit dalam komputer kuantum menyimpan 256 nombor antara 0 dan 255 sekaligus, sementara memori 8 bit di komputer biasa hanya menyimpan 1 nombor antara 0 dan 255 pada satu masa. Sekarang bayangkan memori kuantum 24 bit (2 ^ 24 = 16,777,216) dengan hanya 3 kali lebih banyak Qubits daripada memori pertama kita: ia boleh menyimpan kekalahan 16,777,216 nombor berbeza sekaligus!

Yang membawa kita ke persimpangan sains Quantum dan neurobiologi. Otak manusia adalah pemproses yang jauh lebih kuat daripada komputer mana pun yang ada sekarang: adakah ia dapat mencapai kekuatan hebat ini dengan memanfaatkan keanehan kuantum dengan cara yang sama seperti yang dilakukan oleh komputer kuantum?

Sehingga baru-baru ini, jawapan ahli fizik untuk soalan itu adalah "Tidak."

Fenomena kuantum seperti superposisi bergantung pada pengasingan fenomena tersebut dari persekitaran sekitarnya, terutamanya panas di persekitaran yang menggerakkan zarah-zarah, mengganggu rumah kad kuantum hiper halus dan memaksa zarah tertentu menduduki titik A atau titik B , tetapi tidak pernah keduanya pada masa yang sama.

Oleh itu, apabila para saintis mengkaji fenomena kuantum, mereka berusaha sedaya upaya untuk mengasingkan bahan yang mereka pelajari dari persekitaran sekitarnya, biasanya dengan menurunkan suhu dalam eksperimen mereka hingga hampir sifar mutlak.

Tetapi bukti semakin meningkat dari dunia fisiologi tumbuhan bahawa beberapa proses biologi yang bergantung pada superposisi kuantum berlaku pada suhu normal, meningkatkan kemungkinan bahawa dunia mekanik kuantum yang tidak dapat dibayangkan sememangnya mengganggu dalam kerja sistem biologi yang lain setiap hari, seperti sistem saraf.

Sebagai contoh, pada bulan Mei 2018 pasukan penyelidik di Universiti Groningen yang merangkumi ahli fizik Thomas la Cour Jansen menemui bukti bahawa tumbuh-tumbuhan dan beberapa bakteria fotosintetik mencapai kecekapan hampir 100% mengubah cahaya matahari menjadi tenaga yang boleh digunakan dengan memanfaatkan fakta bahawa penyerapan tenaga suria menyebabkan beberapa elektron masuk molekul penangkap cahaya wujud secara serentak di kedua-dua keadaan kuantum teruja dan tidak bersemangat yang tersebar di jarak yang agak jauh di dalam kilang, yang membolehkan elektron teruja cahaya untuk mencari jalan paling berkesan dari molekul di mana cahaya ditangkap ke molekul berbeza di mana tenaga boleh digunakan untuk kilang dibuat.

Evolusi, dalam usaha tanpa henti untuk merekayasa bentuk kehidupan yang paling cekap tenaga, nampaknya telah mengabaikan kepercayaan ahli fizik bahawa kesan kuantum yang berguna tidak dapat terjadi dalam lingkungan biologi yang hangat dan basah.

Penemuan kesan kuantum dalam biologi tumbuhan telah menghasilkan bidang sains yang sepenuhnya baru yang disebut biologi kuantum. Dalam beberapa tahun terakhir, ahli biologi kuantum telah menggali bukti sifat mekanik kuantum dalam persepsi medan magnet di mata beberapa burung (memungkinkan burung untuk menavigasi semasa migrasi), dan dalam pengaktifan reseptor bau pada manusia. Penyelidik penglihatan juga telah mendapati bahawa fotoreseptor di retina manusia mampu menghasilkan isyarat elektrik dari penangkapan satu kuantiti tenaga cahaya.

Adakah evolusi juga menjadikan otak kita cekap dalam menghasilkan tenaga yang boleh digunakan atau menghantar dan menyimpan maklumat di antara neuron menggunakan kesan kuantum seperti superposisi dan keterikatan?

Para saintis saraf pada awalnya menyiasat kemungkinan ini, tetapi saya sendiri teruja dengan bidang neurosains kuantum yang baru lahir kerana ia boleh menyebabkan penembusan rahsia dalam pemahaman kita mengenai otak.

Saya mengatakan ini kerana sejarah sains mengajar kita bahawa kejayaan terbesar hampir selalu datang dari idea-idea yang, sebelum penembusan tertentu berlaku, terdengar sangat pelik. Penemuan Einstein bahawa ruang dan waktu adalah perkara yang sama (relativiti umum) adalah salah satu contoh, penemuan Darwin bahawa manusia berevolusi dari bentuk kehidupan yang lebih primitif, adalah yang lain. Dan tentu saja, penemuan Planck, Einstein dan Bohr mengenai mekanik kuantum di tempat pertama, masih lain.

Semuanya sangat menunjukkan bahawa idea-idea di sebalik permainan esok yang mengubah kemajuan dalam ilmu saraf, pada masa ini nampaknya kebanyakan orang sangat tidak ortodoks dan mustahil.

Sekarang, hanya kerana biologi kuantum di otak terdengar aneh dan mustahil tidak secara automatik melayakkannya menjadi sumber lompatan raksasa seterusnya dalam ilmu saraf. Tetapi saya mempunyai firasat bahawa pemahaman yang lebih mendalam mengenai kesan kuantum dalam sistem hidup akan menghasilkan pandangan baru yang penting mengenai otak dan sistem saraf kita, jika tidak ada sebab lain, bahawa mengadopsi sudut pandang kuantum akan menyebabkan ahli sains saraf mencari jawapan dengan pelik dan aneh tempat-tempat indah yang tidak pernah mereka fikirkan sebelum ini.

Dan ketika penyiasat melihat fenomena aneh dan luar biasa itu, fenomena tersebut, mungkin, seperti sepupu mereka yang terlibat dalam fizik zarah, melihat kembali mereka!