Исследование квантовых вычислений в человеческом мозге

• Атомы фосфора в нашем организме обладают необходимым ядерным спином, который может действовать как биохимические кубиты.
• Ученые изучают ядерный спин и другую динамику нанокластеров сферических молекул Познера, которые могут выполнять роль нейронных кубитов.

Международная группа исследователей во главе с Калифорнийским университетом в Санта-Барбаре будет изучать потенциал человеческого мозга для квантовых вычислений. По мнению Мэтью Фишера, физика-теоретика из UCSB, вполне возможно, что мы могли бы выполнять квантовую обработку в нашем собственном мозгу.

Концепция квантовых вычислений в человеческом мозге не совсем нова. Ученые уже давно изучают это. Фишер придумал нечто экстраординарное — уникальный набор биологических ключей, которые могут использовать квантовые вычисления в нашем мозгу.

До сих пор вы слышали только о квантовых вычислениях, основанных на замораживании атомов и ионов, дефектах в алмазах и сверхпроводящих переходах. Однако это исследование (Проект «Квантовый мозг») будет направлено на поиск экспериментальных данных, которые могли бы ответить на некоторые странные вопросы, например:«Являемся ли мы квантовыми компьютерами?»

На проект было выделено в общей сложности 1,2 миллиона долларов США на 3 года. Это исследование может помочь нам лучше понять, как работает наш мозг, что может привести к разработке новых методов лечения психических расстройств.

Независимо от того, выполняет ли наш мозг квантовые вычисления или нет, это исследование обеспечит значительные достижения в области химии растворов, квантовой запутанности, биохимического катализа, биоматериалов и расстройств настроения человека.

Квантовые вычисления

Как упоминалось выше, квантовые вычисления зависят исключительно от поведения атомов и ионов, которые могут находиться в суперпозиции. Вместо битов такие частицы представляют собой кубиты, которые могут принимать значение 1, 0 или оба значения одновременно.

Подобно цифровым битам в традиционных вычислениях, набор кубитов может создать сеть для кодирования, хранения и передачи информации. В квантовых компьютерах кубиты создаются и поддерживаются при очень низких температурах, в высоко изолированной и контролируемой среде.

С другой стороны, температура человеческого мозга высокая, и это определенно не идеальная среда для проявления квантовых эффектов из-за теплового движения атомов и молекул.

Квантовая обработка данных в человеческом мозге

По словам Фишера, ядерные спины (в ядре атома, а не в соседних электронах) создают нечто необычное – то, что до сих пор не изучалось.

Ядерные спины, которые хорошо изолированы, могут хранить квантовые данные часами (а может, и дольше). Атомы фосфора (1% элементов нашего тела) обладают необходимым ядерным спином, который может действовать как биохимические кубиты. .

Изображение предоставлено:Питер Аллен / Калифорнийский университет в Санта-Барбаре

В настоящее время исследовательская группа отслеживает квантовые свойства фосфора. В частности, они ищут запутанность между двумя ядерными спинами атомов фосфора, когда они связаны друг с другом и образуют молекулу.

Источник:издательство РСК | doi:10.1039/C7CP07720C | Калифорнийский университет в Санта-Барбаре

Тем временем исследовательская группа из Нью-Йоркского университета изучает ядерный спин и другую динамику нанокластеров сферических молекул Познера. В этом проекте они попытаются выяснить, способны ли эти молекулы защитить ядерные спины биохимических кубитов. Кроме того, они также сосредоточатся на диссоциации и парном связывании молекул Познера, что позволяет осуществлять нелокальную квантовую обработку данных.

Другая исследовательская группа из Мюнхенского технического университета будет исследовать роль митохондрий в квантовом взаимодействии и запутанности. Цель состоит в том, чтобы выяснить, могут ли эти органеллы, связанные с двойной мембраной, которые отвечают за передачу сигналов в клетках и метаболизм, использовать свои трубчатые сети для переноса молекул Познера между нейронами.

Слияние и деление митохондрий могут создавать нелокальную меж- и внутриклеточную квантовую запутанность. Дальнейшая диссоциация молекул Познера может высвободить кальций, активируя высвобождение нейротрансмиттера и синаптические импульсы, которые будут не чем иным, как квантово-связанной сетью нейронов.

Технические подробности

До сих пор исследователи исследовали структуру молекул Познера и спектроскопические отпечатки пальцев. Они стабильны в вакууме и обладают симметрией S6. Рассчитанный колебательный спектр может служить спектроскопическим индикатором, помогающим экспериментально обнаруживать молекулы Познера.

Катионы примесей могут заменять центральный кальций, что указывает как на рост костей, так и на свойства фосфора. Команда продемонстрировала, что молекула Познера является многообещающим кандидатом на защищенные (от декогеренции окружающей среды) ядерные спины, что может иметь потенциальное применение в медицинской визуализации и квантовых вычислениях ЯМР в жидком состоянии.

Читайте: Ученые создали искусственный синапс, чтобы поместить мозг на чип

Они вычислили псевдоспиновое квантовое число, которое могло бы кодировать когерентные квантовые данные в молекулах Познера и могло бы обеспечить метод, позволяющий спутать вращательные степени свободы (молекулы Познера) с ее ядерным спином. Этот метод играет центральную роль в роли молекулы Познера как биохимического кубита в концепции квантового мозга.