Kuantum Sinirbilimini Neden Önemsemelisiniz?

Duymadıysanız, Kuantum bilimi hayal edilemeyecek kadar güçlü kuantum bilgisayarlar, ultra verimli kuantum iletişimi ve kuantum şifreleme yoluyla aşılmaz siber güvenlik hakkında heyecanlı konuşmalarla şu anda çok sıcak.

Neden tüm bu yutturmaca?

Basitçe söylemek gerekirse, Kuantum bilimi, günlük bilim yoluyla alıştığımız küçük adımlar yerine ileriye doğru dev adımlar vaat ediyor. Örneğin, günlük bilim bize her 2-3 yılda bir gücü ikiye katlayan yeni bilgisayarlar verirken, Quantum bilimi birçok trilyonlarca kez bugün mevcut olan en kaslı bilgisayardan daha fazla güç.

Başka bir deyişle, Kuantum bilimi başarılı olursa, dünyayı bildiğimiz şekliyle İnternetten veya akıllı telefonlardan çok daha derin şekillerde yeniden şekillendirecek sismik bir teknoloji değişimi yaratacaktır.

Kuantum biliminin nefes kesici olasılıklarının tümü basit bir gerçekten kaynaklanmaktadır: kuantum fenomeni, “klasik” (normal) fenomenin başarabileceklerini sınırlayan kuralları tamamen çiğnemektedir.

Kuantum biliminin imkansız olanı aniden mümkün kıldığı iki örnek, kuantum süperpozisyonu ve kuantum dolanıklığıdır.

Önce kuantum süperpozisyonunu ele alalım.

Normal dünyada, beyzbol gibi bir nesne aynı anda yalnızca bir yerde olabilir. Ancak kuantum dünyasında, elektron gibi bir parçacık sonsuz sayıda yer işgal edebilir. aynı zamanda, fizikçilerin birden çok durumun süperpozisyonu dedikleri şeyde mevcut. Yani kuantum dünyasında bir şey bazen birçok farklı şey gibi davranır.

Şimdi beyzbol benzetmesini biraz daha genişleterek kuantum dolanıklığını inceleyelim. Normal dünyada, Los Angeles ve Boston'daki büyük lig stadyumlarında karanlık dolaplarda oturan iki beyzbol topu birbirinden tamamen bağımsızdır, öyle ki, saklama dolaplarından birini bir beyzbol topuna bakmak için açarsanız, diğer beyzbola kesinlikle hiçbir şey olmaz. 3.000 mil uzakta, karanlık bir saklama dolabında. Ancak kuantum dünyasında, fotonlar gibi iki ayrı parçacık Yapabilmek Bir detektörle bir fotonu algılama eylemi, diğer fotonu, ne kadar uzakta olursa olsun, belirli bir durumu almaya zorlar.

Böyle bir dolaşıklık, kuantum evreninde, farklı varlıklar ne kadar uzakta olursa olsun, bazen birden fazla farklı varlığın tek bir varlık gibi davranabileceği anlamına gelir.

Bu, bir beyzbol topunun durumunu değiştirmeye eşdeğerdir - örneğin, onu bir saklama dolabının üst ve alt rafında olmaya zorlamak - sadece 3.000 mil ötedeki bir saklama dolabını açıp tamamen farklı beyzbol.

Bu “imkansız” davranışlar, kuantum varlıkları, örneğin bilgisayarlarla imkansız olanı yapmak için ideal hale getirir. Normal bilgisayarlarda depolanan bir bilgi biti ya sıfırdır ya da birdir, ancak bir kuantum bilgisayarda Qubit (kuantum bit) olarak adlandırılan depolanmış bir bit aynı anda hem sıfır hem de birdir. Böylece, 8 bitlik basit bir bellek deposu 0 ile 255 (2 ^ 8 = 256) arasında herhangi bir bireysel sayı içerebildiğinde, 8 Qubitlik bir bellek 2 ^ 8 = 256 ayrı numaralar hepsi birden! Katlanarak daha fazla bilgi saklama yeteneği, kuantum bilgisayarların işlem gücünde bir kuantum sıçraması vaat etmesinin nedenidir.

Yukarıdaki örnekte, bir kuantum bilgisayardaki 8 bitlik bir bellek, 0 ile 255 arasında 256 sayıyı aynı anda depolarken, sıradan bir bilgisayardaki 8 bit bellek, bir seferde 0 ile 255 arasında yalnızca 1 sayı depolar. Şimdi, ilk belleğimizden yalnızca 3 kat daha fazla Qubit içeren 24 bitlik bir kuantum belleği (2 ^ 24 = 16,777,216) hayal edin: Aynı anda 16.777.216 farklı numara!

Bu da bizi Kuantum bilimi ve nörobiyolojinin kesişim noktasına getiriyor. İnsan beyni, bugün mevcut olan herhangi bir bilgisayardan çok daha güçlü bir işlemcidir: Kuantum tuhaflığını kuantum bilgisayarların yaptığı gibi kullanarak bu müthiş gücün bir kısmını elde ediyor mu?

Çok yakın zamana kadar, fizikçilerin bu soruya verdikleri cevap büyük bir "Hayır" oldu.

Süperpozisyon gibi kuantum fenomeni, bu olayları çevreleyen ortamdan izole etmeye, özellikle parçacıkları harekete geçiren ortamdaki ısıya, süperpozisyon kartlarının aşırı hassas kuantum evini altüst etmeye ve belirli bir parçacığı A veya B noktasını işgal etmeye zorlamaya dayanır. ama asla aynı anda değil.

Bu nedenle, bilim adamları kuantum fenomeni üzerinde çalıştıklarında, üzerinde çalıştıkları materyali çevredeki ortamdan izole etmek için büyük çaba sarf ediyorlar, genellikle deneylerindeki sıcaklığı neredeyse mutlak sıfıra düşürerek.

Ancak, bitki fizyolojisi dünyasından, kuantum süperpozisyonuna dayanan bazı biyolojik süreçlerin normal sıcaklıklarda meydana geldiğine dair kanıtlar artıyor, bu da kuantum mekaniğinin hayal edilemeyecek kadar tuhaf dünyasının gerçekten de bizim gibi diğer biyolojik sistemlerin günlük işleyişine girme olasılığını artırıyor. sinir sistemleri.

Örneğin, Mayıs 2018'de Groningen Üniversitesi'nde fizikçi Thomas la Cour Jansen'in de dahil olduğu bir araştırma ekibi, bitkilerin ve bazı fotosentetik bakterilerin, güneş enerjisinin emiliminin bazı elektronlara neden olduğu gerçeğinden yararlanarak güneş ışığını kullanılabilir enerjiye dönüştürerek neredeyse% 100 verimlilik elde ettiklerine dair kanıt buldu. hem uyarılmış hem de uyarılmamış kuantum hallerinde eşzamanlı olarak var olan ışık yakalayan moleküller, bitki içinde nispeten uzun mesafelere yayılır ve ışıkla uyarılmış elektronların, ışığın yakalandığı moleküllerden, kullanılabilir enerjinin bulunduğu farklı moleküllere kadar en verimli yolu bulmasına izin verir. bitki için yaratıldı.

Evrim, enerjiyi en verimli şekilde kullanan yaşam formlarını tasarlama konusundaki acımasız arayışında, fizikçilerin biyolojinin sıcak ve ıslak ortamlarında faydalı kuantum etkilerinin olamayacağına dair inancını görmezden gelmiş gibi görünüyor.

Bitki biyolojisindeki kuantum etkilerinin keşfi, kuantum biyolojisi adı verilen tamamen yeni bir bilim alanına yol açtı. Son birkaç yılda kuantum biyologları, bazı kuşların gözlerindeki manyetik alan algılamasında (kuşların göç sırasında gezinmesini sağlayarak) ve insanlarda koku alıcılarının aktivasyonunda kuantum mekaniksel özelliklerin kanıtlarını ortaya çıkardılar. Vizyon araştırmacıları ayrıca, insan retinasındaki fotoreseptörlerin tek bir ışık enerjisinin yakalanmasından elektrik sinyalleri üretebildiğini keşfettiler.

Evrim ayrıca beyinlerimizi kullanılabilir enerji üretmede veya süperpozisyon ve dolaşıklık gibi kuantum etkilerini kullanarak nöronlar arasında bilgi iletme ve saklama konusunda hiper verimli hale getirdi mi?

Nörobilimciler bu olasılığı araştırmanın en başındalar, ama ben kuantum sinirbilimin yeni ortaya çıkan alanı beni heyecanlandırıyor çünkü beyin anlayışımızda çene bırakan atılımlara yol açabilir.

Bunu söylüyorum çünkü bilim tarihi bize en büyük atılımların neredeyse her zaman belirli bir atılım gerçekleşmeden önce kulağa inanılmaz derecede garip gelen fikirlerden geldiğini öğretir. Einstein'ın uzay ve zamanın gerçekten aynı şey olduğunu keşfi (genel görelilik) bir örnektir, Darwin'in insanların daha ilkel yaşam formlarından evrimleştiğine dair keşfi başka bir örnektir. Ve elbette, Planck, Einstein ve Bohr'un kuantum mekaniğini ilk etapta keşfi, yine başka bir şey.

Bunların hepsi, yarının oyun değiştiren nörobilim ilerlemelerinin ardındaki fikirlerin, bugün çoğu insana oldukça alışılmışın dışında ve olanaksız görüneceğini kuvvetle ima ediyor.

Şimdi, beyindeki kuantum biyolojisi kulağa tuhaf ve olasılıksız geliyor diye, onu sinirbilimdeki bir sonraki dev sıçramanın kaynağı olarak otomatik olarak nitelendirmiyor. Ancak, canlı sistemlerdeki kuantum etkilerinin daha derin bir şekilde anlaşılmasının beyinlerimiz ve sinir sistemlerimiz hakkında önemli yeni içgörüler sağlayacağına dair bir önsezim var; kuantum bakış açısını benimsemenin sinirbilimcilerin garip cevaplar aramasına neden olacağı ve daha önce araştırmayı hiç düşünmedikleri harika yerler.

Ve araştırmacılar bu tuhaf ve harika fenomenlere baktıklarında, bu fenomenler, parçacık fiziğindeki dolaşık kuzenleri gibi, onlara geri dönebilir!