Nima uchun kvant nevrologiyasi haqida qayg'urishingiz kerak

Agar siz eshitmagan bo'lsangiz, hozirda Quantum fani juda qizg'in va tasavvurga sig'maydigan darajada kuchli kvant kompyuterlari, ultra samarali kvant aloqasi va kvant shifrlash orqali o'tib bo'lmaydigan kiber xavfsizligi haqida hayajonlanmoqda.

Nima uchun bu shov-shuv?

Oddiy qilib aytganda, Kvant fanlari biz kundalik ilm-fan orqali odatlanib qolgan bolalar qadamlari o'rniga ulkan sakrashlarni va'da qilmoqda. Masalan, kundalik fan bizga har 2-3 yilda quvvatini ikki baravar oshiradigan yangi kompyuterlarni beradi, Kvant fanida esa ko'pchilikka ega kompyuterlar va'da qilinadi trillionlab marta bugungi kunda mavjud bo'lgan eng mushak kompyuterga qaraganda ko'proq quvvat.

Boshqacha qilib aytganda, agar kvant ilmi muvaffaqiyatli bo'lsa, texnologiyani seysmik siljishini keltirib chiqaradi, bu dunyoni biz bilganimizcha o'zgartiradi, hatto Internet yoki smartfonlarga qaraganda chuqurroq yo'llar bilan.

Kvant fanining hayratga soladigan imkoniyatlari barchasi bitta oddiy haqiqatdan kelib chiqadi: kvant hodisalari "klassik" (normal) hodisalarni amalga oshirishni cheklaydigan qoidalarni to'liq buzadi.

Kvant fani ilgari imkonsiz bo'lgan narsani to'satdan mumkin bo'lgan ikkita misol - bu kvant superpozitsiyasi va kvant chalkashligi.

Avval kvant superpozitsiyasiga qarshi kurashamiz.

Oddiy dunyoda, beysbol kabi ob'ekt bir vaqtning o'zida faqat bitta joyda bo'lishi mumkin. Ammo kvant dunyosida elektron kabi zarracha cheksiz ko'p joylarni egallashi mumkin xuddi shu paytni o'zida, fiziklar bir nechta holatlarning superpozitsiyasi deb ataydigan narsalarda mavjud. Shunday qilib, kvant dunyosida ba'zan bir narsa turli xil narsalar kabi o'zini tutadi.

Keling, beysbol o'xshashligini biroz oldinga cho'zib, kvant chalkashishini ko'rib chiqamiz. Oddiy dunyoda Los-Anjeles va Bostondagi oliy liga stadionlaridagi qorong'i shkaflarda o'tirgan ikkita beysbol bir-biridan mutlaqo mustaqildir, masalan, bitta beysbolga qarash uchun shkaflardan birini ochsangiz, boshqa beysbolga hech narsa bo'lmaydi. 3000 mil uzoqlikdagi qorong'i ombor shkafida. Ammo kvant dunyosida ikkita alohida zarralar, masalan, fotonlar mumkin chalkashib qoling, shunchaki bitta fotonni detektor bilan sezish shunchaki bir zumda boshqa fotonni, qancha uzoq bo'lishidan qat'iy nazar, ma'lum bir holatni qabul qilishga majbur qiladi.

Bunday chalkashlik shuni anglatadiki, kvant olamida bir-biridan ajralib turadigan mavjudotlar bir-biridan qanchalik uzoq bo'lishidan qat'i nazar, ba'zida bir butun sifatida o'zini tutishi mumkin.

Bu bitta beysbolning holatini o'zgartirishga teng bo'ladi - masalan, uni saqlash shkafi tepasida va pastki rafida turishga majbur qilish - shunchaki 3000 mil uzoqlikdagi saqlash shkafini ochish va butunlay qarab turish. boshqacha beysbol.

Ushbu "imkonsiz" xatti-harakatlar kvant ob'ektlarini, masalan, kompyuterlar bilan imkonsiz narsani bajarish uchun ideal qiladi. Oddiy kompyuterlarda saqlanadigan bit bittasi nolga teng yoki bittaga teng, ammo kvant kompyuterida Qubit (kvant bit) deb nomlangan saqlangan bit ham nolga teng, ham bir vaqtning o'zida bittaga teng. Shunday qilib, 8 bitli oddiy xotira do'koni 0 dan 255 gacha bo'lgan har qanday individual raqamni o'z ichiga olishi mumkin bo'lgan joyda (2 ^ 8 = 256) 8 kubitlik xotira 2 ^ 8 = 256 ni saqlashi mumkin alohida raqamlar birdaniga! Ko'p sonli ma'lumotni saqlash qobiliyati nima uchun kvant kompyuterlari qayta ishlash quvvatida kvant sakrashni va'da qiladi.

Yuqoridagi misolda, kvant kompyuteridagi 8 bitli xotira birdaniga 0 dan 255 gacha bo'lgan 256 raqamni saqlaydi, oddiy kompyuterdagi 8 bitli xotira bir vaqtning o'zida 0 dan 255 gacha bo'lgan bitta raqamni saqlaydi. Endi 24 bitli kvant xotirani tasavvur qiling (2 ^ 24 = 16,777,216), bu bizning birinchi xotiramizdan 3 baravar ko'proq kubitga ega: u juda katta hajmdagi xotirani saqlashi mumkin Bir vaqtning o'zida 16 777 216 xil raqam!

Bu bizni Kvant fani va neyrobiologiya chorrahasiga olib keladi. Inson miyasi bugungi kunda mavjud bo'lgan har qanday kompyuterga qaraganda ancha kuchli protsessordir: kvant kompyuterlari singari kvant g'alati holatlardan foydalanib, bu ajoyib kuchning bir qismiga erishadimi?

Yaqin-yaqingacha fiziklar bu savolga "Yo'q" degan javobni berib kelmoqdalar.

Superpozitsiya kabi kvant hodisalari ushbu hodisalarni atrofdagi muhitdan, xususan zarrachalarni harakatga keltiradigan muhitdagi issiqlikdan ajratib turishga, superpozitsiya kartalarining giper-nozik kvant uyini buzishga va ma'lum bir zarrachani A yoki B nuqtalarini egallashga majbur qilishga tayanadi. , lekin hech qachon ikkalasi ham bir vaqtning o'zida.

Shunday qilib, olimlar kvant hodisalarini o'rganayotganda ular o'rganayotgan materiallarini atrofdagi muhitdan ajratish uchun juda ko'p harakat qilishadi, odatda tajribalaridagi haroratni deyarli nolga tushirishadi.

Ammo o'simlik fiziologiyasi dunyosidan kvant superpozitsiyasiga tayanadigan ba'zi biologik jarayonlarning normal haroratda sodir bo'lishiga oid dalillar tobora ko'payib bormoqda, bu esa tasavvur qilib bo'lmaydigan darajada g'alati kvant mexanikasi dunyosi har kuni boshqa biologik tizimlarning ishlariga kirib borishi mumkin, masalan, bizning asab tizimlari.

Masalan, 2018 yil may oyida Groningen universitetining fizik olim Tomas la Kurs Yansen ishtirokidagi tadqiqot guruhi quyosh energiyasini yutish natijasida ba'zi elektronlarning paydo bo'lishidan foydalanib, o'simliklar va ba'zi fotosintezli bakteriyalar deyarli 100% samaradorlikka erishishini isbotladi. nurni ushlab turadigan molekulalar bir vaqtning o'zida o'simlik ichida nisbatan uzoq masofalarga tarqalib, hayajonlangan va qo'zg'almagan kvant holatlarida mavjud bo'lib, yorug'lik bilan qo'zg'aladigan elektronlar yorug'lik olinadigan molekulalardan foydali energiya mavjud bo'lgan turli molekulalarga eng samarali yo'lni topishga imkon beradi. chunki o'simlik yaratilgan.

Evolyutsiya energiya samaradorligini oshiruvchi hayot shakllarini yaratish bo'yicha tinimsiz izlanishlarida fiziklarning foydali kvant effektlari biologiyaning iliq va ho'l muhitida bo'lmaydi degan fikrini e'tiborsiz qoldirganga o'xshaydi.

O'simliklar biologiyasida kvant effektlarining kashf etilishi fanning kvant biologiyasi deb nomlangan mutlaqo yangi sohasini vujudga keltirdi. So'nggi bir necha yil ichida kvant biologlari ba'zi qushlarning ko'zlarida magnit maydonni idrok qilishda (qushlarning migratsiya paytida suzib yurishlariga imkon yaratishda) va odamlarda hid retseptorlarini faollashtirishda kvant mexanik xususiyatlarini aniqladilar. Vizyon tadqiqotchilari, shuningdek, odamning retinasidagi fotoreseptorlar yorug'lik energiyasining bitta kvantini olishdan elektr signallarini ishlab chiqarishga qodir ekanligini aniqladilar.

Shuningdek, evolyutsiya bizning miyamizni superpozitsiya va chigallashtirish kabi kvant effektlaridan foydalanib, foydalaniladigan energiya ishlab chiqarishda yoki neyronlar orasida ma'lumot uzatishda va saqlashda giper-samaradorlikka aylantirdimi?

Neuroscientists ushbu imkoniyatni o'rganishning boshida, lekin men kvant neyrologiyasining yangi paydo bo'lgan sohasi haqida juda hayajonlanaman, chunki bu miya haqidagi tushunchamizda jag'ning tushishiga olib kelishi mumkin.

Men shuni aytmoqchimanki, ilm-fan tarixi bizga eng katta yutuqlar deyarli har doim ma'lum bir yutuq paydo bo'lishidan oldin g'alati tuyuladigan g'oyalardan kelib chiqishini o'rgatadi. Eynshteynning makon va vaqt haqiqatan ham bir xil narsa ekanligini kashf etishi (umumiy nisbiylik) bir misol, Darvinning odamlar ko'proq ibtidoiy hayot shakllaridan kelib chiqqanligi haqidagi kashfiyoti boshqa. Va, albatta, birinchi navbatda Plank, Eynshteyn va Borning kvant mexanikasini kashf etishi yana bir narsa.

Bularning barchasi shuni anglatadiki, ertangi o'yindagi g'oyalar nevrologiya sohasidagi o'zgarishlarni o'zgartiradi, bugungi kunda aksariyat odamlar g'ayrioddiy va ishonib bo'lmaydigan bo'lib tuyuladi.

Endi miyadagi kvant biologiyasi g'alati va ishonib bo'lmaydigan bo'lib tuyulishi, uni o'z-o'zidan nevrologiyada navbatdagi ulkan sakrash manbai bo'lishiga olib kelmaydi. Ammo menda tirik tizimdagi kvant ta'sirini chuqurroq anglash miyamiz va asab tizimimiz haqida muhim yangi tushunchalarni keltirib chiqaradi, agar boshqa sababsiz kvant nuqtai nazarini qabul qilish nevrologlarni g'alati va javoblarda qidirishga olib keladi. ilgari hech qachon tergov qilishni o'ylamagan ajoyib joylar.

Va tergovchilar ushbu g'alati va ajoyib hodisalarni ko'rib chiqqanlarida, bu hodisalar, zarralar fizikasida o'zlarini tutib turadigan amakivachchalari singari, ularga orqaga qarashlari mumkin!