ทำไมคุณควรสนใจเกี่ยวกับประสาทควอนตัม

ในกรณีที่คุณไม่เคยได้ยินมาก่อนวิทยาศาสตร์ควอนตัมกำลังมาแรงในขณะนี้ด้วยการพูดคุยอย่างตื่นเต้นเกี่ยวกับคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทรงพลังอย่างเหนือจินตนาการการสื่อสารควอนตัมที่มีประสิทธิภาพสูงและความปลอดภัยทางไซเบอร์ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ผ่านการเข้ารหัสควอนตัม

ทำไมโฆษณาทั้งหมด?

พูดง่ายๆก็คือวิทยาศาสตร์ควอนตัมสัญญาว่าจะก้าวกระโดดไปข้างหน้าแทนที่จะเป็นก้าวแรกของทารกที่เราคุ้นเคยกับวิทยาศาสตร์ในชีวิตประจำวัน ยกตัวอย่างเช่นวิทยาศาสตร์ในชีวิตประจำวันทำให้เรามีคอมพิวเตอร์เครื่องใหม่ที่มีอำนาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ 2-3 ปีในขณะที่วิทยาศาสตร์ควอนตัมสัญญากับคอมพิวเตอร์หลาย ๆ ล้านล้านครั้ง มีพลังมากกว่าคอมพิวเตอร์ที่มีกล้ามเนื้อมากที่สุดในปัจจุบัน

กล่าวอีกนัยหนึ่งวิทยาศาสตร์ควอนตัมหากประสบความสำเร็จจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแผ่นดินไหวในเทคโนโลยีที่จะพลิกโฉมโลกอย่างที่เรารู้จักในรูปแบบที่ลึกซึ้งยิ่งกว่าอินเทอร์เน็ตหรือสมาร์ทโฟน

ความเป็นไปได้ที่น่าทึ่งของวิทยาศาสตร์ควอนตัมล้วนเกิดขึ้นจากความจริงง่ายๆเพียงข้อเดียวนั่นคือปรากฏการณ์ควอนตัมทำลายกฎเกณฑ์ที่ จำกัด สิ่งที่ปรากฏการณ์“ คลาสสิก” (ปกติ) สามารถทำได้อย่างสมบูรณ์

สองตัวอย่างที่วิทยาศาสตร์ควอนตัมทำให้สิ่งที่เคยเป็นไปไม่ได้กลายเป็นไปได้ในทันทีคือการซ้อนทับทางควอนตัมและการพัวพันกับควอนตัม

เรามาจัดการการซ้อนทับควอนตัมก่อน

ในโลกปกติวัตถุเช่นเบสบอลสามารถอยู่ในที่เดียวได้ในคราวเดียว แต่ในโลกควอนตัมอนุภาคเช่นอิเล็กตรอนสามารถครอบครองสถานที่ได้ไม่ จำกัด จำนวน ในเวลาเดียวกัน, มีอยู่ในสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่าการซ้อนทับของหลายสถานะ ดังนั้นในโลกควอนตัมบางครั้งสิ่งหนึ่งก็มีพฤติกรรมเหมือนหลาย ๆ อย่าง

ตอนนี้เรามาตรวจสอบความพัวพันของควอนตัมโดยขยายการเปรียบเทียบของเบสบอลออกไปอีกเล็กน้อย ในโลกปกติลูกเบสบอลสองคนนั่งอยู่ในตู้เก็บของมืด ๆ ในสนามกีฬาเมเจอร์ลีกในลอสแองเจลิสและบอสตันนั้นเป็นอิสระจากกันโดยสิ้นเชิงเช่นถ้าคุณเปิดตู้เก็บของเพื่อดูลูกเบสบอลหนึ่งลูกจะไม่มีอะไรเกิดขึ้นกับลูกเบสบอลอื่น ๆ อย่างแน่นอน ในตู้เก็บของมืดห่างออกไป 3,000 ไมล์ แต่ในโลกควอนตัมอนุภาคสองตัวเช่นโฟตอน สามารถ พัวพันเช่นว่าการตรวจจับโฟตอนหนึ่งตัวด้วยเครื่องตรวจจับจะบังคับให้โฟตอนอื่นทันทีไม่ว่าจะอยู่ห่างไกลเพียงใดให้ถือว่าอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่ง

ความพัวพันดังกล่าวหมายความว่าในจักรวาลควอนตัมบางครั้งเอนทิตีที่แตกต่างกันหลายตัวสามารถทำงานเป็นเอนทิตีเดียวได้ไม่ว่าเอนทิตีที่แตกต่างกันจะอยู่ห่างกันแค่ไหนก็ตาม

นี่จะเทียบเท่ากับการเปลี่ยนสถานะของลูกเบสบอลเช่นบังคับให้อยู่บนชั้นบนกับชั้นล่างสุดของตู้เก็บของ - เพียงแค่เปิดตู้เก็บของที่อยู่ห่างออกไป 3,000 ไมล์แล้วจ้องไปที่ แตกต่างกัน เบสบอล

พฤติกรรมที่ "เป็นไปไม่ได้" เหล่านี้ทำให้เอนทิตีควอนตัมเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทำสิ่งที่เป็นไปไม่ได้เช่นคอมพิวเตอร์ ในคอมพิวเตอร์ปกติข้อมูลบิตที่จัดเก็บไว้อาจเป็นศูนย์หรือหนึ่ง แต่ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมบิตที่เก็บไว้เรียกว่าคิวบิท (ควอนตัมบิต) เป็นทั้งศูนย์และหนึ่งในเวลาเดียวกัน ดังนั้นที่จัดเก็บหน่วยความจำแบบ 8 บิตสามารถมีหมายเลขใดก็ได้ตั้งแต่ 0 ถึง 255 (2 ^ 8 = 256) หน่วยความจำ 8 คิวบิตสามารถจัดเก็บได้ 2 ^ 8 = 256 แยกตัวเลข ทุกอย่างในครั้งเดียว! ความสามารถในการจัดเก็บข้อมูลที่เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณคือสาเหตุที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมสัญญาว่าจะก้าวกระโดดของควอนตัมในด้านพลังการประมวลผล

จากตัวอย่างข้างต้นหน่วยความจำ 8 บิตในคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะจัดเก็บหมายเลข 256 หมายเลขระหว่าง 0 ถึง 255 พร้อมกันในขณะที่หน่วยความจำ 8 บิตในคอมพิวเตอร์ธรรมดาจะจัดเก็บเพียง 1 หมายเลขระหว่าง 0 ถึง 255 ต่อครั้ง ลองนึกภาพหน่วยความจำควอนตัม 24 บิต (2 ^ 24 = 16,777,216) ที่มี Qubits มากถึง 3 เท่าของหน่วยความจำแรกของเรา: มันสามารถจัดเก็บจำนวนมหาศาลได้ 16,777,216 หมายเลขที่แตกต่างกันในครั้งเดียว!

ซึ่งนำเราไปสู่จุดตัดของวิทยาศาสตร์ควอนตัมและประสาทชีววิทยา สมองของมนุษย์เป็นหน่วยประมวลผลที่ทรงพลังกว่าคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องที่มีอยู่ในปัจจุบัน: มันได้รับพลังที่ยอดเยี่ยมนี้ด้วยการควบคุมความแปลกประหลาดของควอนตัมในแบบเดียวกับที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมทำหรือไม่?

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้คำตอบของนักฟิสิกส์สำหรับคำถามนั้นคือ“ ไม่”

ปรากฏการณ์ทางควอนตัมเช่นการซ้อนทับต้องอาศัยการแยกปรากฏการณ์เหล่านั้นออกจากสภาพแวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งความร้อนในสภาพแวดล้อมที่ทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ทำให้บ้านควอนตัมที่ละเอียดอ่อนมากเกินไปของไพ่แห่งการซ้อนทับและบังคับให้อนุภาคเฉพาะครอบครองจุด A หรือจุด B แต่ไม่เคยทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน

ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ศึกษาปรากฏการณ์ควอนตัมพวกเขาใช้ความพยายามอย่างมากในการแยกวัสดุที่กำลังศึกษาออกจากสภาพแวดล้อมโดยรอบโดยปกติแล้วการลดอุณหภูมิในการทดลองให้เกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์

แต่มีหลักฐานเพิ่มขึ้นจากโลกของสรีรวิทยาของพืชว่ากระบวนการทางชีววิทยาบางอย่างที่อาศัยการซ้อนทับของควอนตัมเกิดขึ้นที่อุณหภูมิปกติทำให้เกิดความเป็นไปได้ที่โลกแห่งกลศาสตร์ควอนตัมที่แปลกประหลาดอย่างไม่อาจจินตนาการได้อาจล่วงล้ำเข้าสู่การทำงานทุกวันของระบบทางชีววิทยาอื่น ๆ เช่นของเรา ระบบประสาท

ตัวอย่างเช่นในเดือนพฤษภาคม 2018 ทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัย Groningen ซึ่งรวมถึงนักฟิสิกส์ Thomas la Cour Jansen พบหลักฐานว่าพืชและแบคทีเรียสังเคราะห์แสงบางชนิดมีประสิทธิภาพเกือบ 100% ในการเปลี่ยนแสงแดดให้เป็นพลังงานที่ใช้งานได้โดยใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ทำให้อิเล็กตรอนบางตัวใน โมเลกุลจับแสงที่มีอยู่พร้อมกันทั้งในสถานะควอนตัมที่ตื่นเต้นและไม่ตื่นเต้นกระจายไปในระยะทางที่ค่อนข้างไกลภายในพืชทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงค้นหาเส้นทางที่มีประสิทธิภาพสูงสุดจากโมเลกุลที่แสงถูกจับไปยังโมเลกุลต่าง ๆ ที่มีพลังงานที่ใช้งานได้ สำหรับพืชถูกสร้างขึ้น

วิวัฒนาการในการแสวงหารูปแบบชีวิตที่ประหยัดพลังงานอย่างไม่หยุดยั้งดูเหมือนจะละเลยความเชื่อของนักฟิสิกส์ที่ว่าผลกระทบทางควอนตัมที่มีประโยชน์ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในสภาพแวดล้อมทางชีววิทยาที่อบอุ่นและเปียกชื้น

การค้นพบผลกระทบทางควอนตัมในชีววิทยาของพืชทำให้เกิดวิทยาศาสตร์แขนงใหม่ที่เรียกว่าชีววิทยาควอนตัม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักชีววิทยาควอนตัมได้ค้นพบหลักฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติเชิงกลของควอนตัมในการรับรู้สนามแม่เหล็กในสายตาของนกบางชนิด (ทำให้นกสามารถนำทางระหว่างการอพยพ) และในการกระตุ้นตัวรับกลิ่นในมนุษย์ นักวิจัยด้านการมองเห็นยังค้นพบว่าเซลล์รับแสงในเรตินาของมนุษย์สามารถสร้างสัญญาณไฟฟ้าจากการจับพลังงานแสงควอนตัสเดียว

วิวัฒนาการยังทำให้สมองของเรามีประสิทธิภาพสูงในการสร้างพลังงานที่ใช้งานได้หรือส่งและจัดเก็บข้อมูลระหว่างเซลล์ประสาทโดยใช้ผลทางควอนตัมเช่นการซ้อนทับและการพัวพันหรือไม่?

นักประสาทวิทยากำลังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการตรวจสอบความเป็นไปได้นี้ แต่สำหรับคนหนึ่งฉันรู้สึกตื่นเต้นเกี่ยวกับสาขาประสาทวิทยาควอนตัมที่เพิ่งตั้งขึ้นใหม่เพราะอาจนำไปสู่ความก้าวหน้าที่ทำให้กรามลดลงในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับสมอง

ฉันพูดแบบนี้เพราะประวัติศาสตร์ของวิทยาศาสตร์สอนให้เรารู้ว่าการพัฒนาที่ยิ่งใหญ่ที่สุดมักจะมาจากความคิดที่ว่าก่อนที่ความก้าวหน้าจะเกิดขึ้นฟังดูแปลก ๆ อย่างไม่น่าเชื่อ การค้นพบของไอน์สไตน์ว่าอวกาศและเวลาเป็นสิ่งเดียวกันจริงๆ (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) เป็นตัวอย่างหนึ่งการค้นพบของดาร์วินที่มนุษย์วิวัฒนาการมาจากรูปแบบชีวิตดั้งเดิมมากขึ้นก็เป็นอีกแบบหนึ่ง และแน่นอนว่าการค้นพบกลศาสตร์ควอนตัมของพลังค์ไอน์สไตน์และบอร์ในตอนแรกก็เป็นอีกเรื่องหนึ่ง

ซึ่งทั้งหมดนี้บ่งบอกเป็นนัยว่าแนวคิดที่อยู่เบื้องหลังความก้าวหน้าทางประสาทวิทยาของเกมในวันพรุ่งนี้ดูเหมือนว่าคนส่วนใหญ่จะเป็นคนนอกรีตและไม่น่าจะเป็นไปได้

ตอนนี้เพียงเพราะชีววิทยาควอนตัมในสมองฟังดูแปลกและไม่น่าจะเป็นไปได้ไม่ได้ทำให้มันเป็นที่มาของการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในวงการประสาทวิทยาศาสตร์ แต่ฉันมีลางสังหรณ์ว่าความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ควอนตัมในระบบสิ่งมีชีวิตจะทำให้ได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ ที่สำคัญเกี่ยวกับสมองและระบบประสาทของเราหากไม่มีเหตุผลอื่นใดการใช้มุมมองควอนตัมจะทำให้นักประสาทวิทยามองหาคำตอบที่แปลกและ สถานที่ยอดเยี่ยมที่พวกเขาไม่เคยพิจารณามาก่อน

และเมื่อนักวิจัยตรวจสอบปรากฏการณ์ที่แปลกประหลาดและมหัศจรรย์เหล่านั้นปรากฏการณ์เหล่านั้นอาจเหมือนกับญาติของพวกเขาที่พัวพันกับฟิสิกส์อนุภาคมองย้อนกลับไปที่พวกเขา!