למה אכפת לך ממדעי המוח הקוונטיים

למקרה שלא שמעתם, מדע הקוונטים חם לבן כרגע, עם דיבורים נרגשים על מחשבים קוונטיים חזקים ללא דמיון, תקשורת קוונטית יעילה במיוחד ואבטחת סייבר בלתי חדירה באמצעות הצפנה קוונטית.

למה כל ההייפ?

במילים פשוטות, מדע הקוונטים מבטיח קפיצות ענק קדימה במקום צעדי התינוקות שהתרגלנו אליהם דרך המדע היומיומי. מדע היומיום, למשל, נותן לנו מחשבים חדשים שמכפילים את כוחם כל 2-3 שנים, ואילו מדע הקוונטים מבטיח מחשבים עם רבים טריליוני פעמים יותר כוח מהמחשב השרירי ביותר שיש כיום.

במילים אחרות מדע הקוונטים, אם יצליח, יביא לשינוי סייסמי בטכנולוגיה שיעצב מחדש את העולם כפי שאנו מכירים אותו, בדרכים עמוקות עוד יותר מכפי שעשו האינטרנט או הסמארטפונים.

האפשרויות עוצרות הנשימה של מדע הקוונטים נובעות מאמת פשוטה אחת: תופעות קוונטיות שוברות לחלוטין את הכללים המגבילים את מה שתופעות "קלאסיות" (נורמליות) יכולות להשיג.

שתי דוגמאות שבהן מדע הקוונטים מאפשר את מה שהיה בלתי אפשרי פתאום, הן סופרפוזיציה קוונטית והסתבכות קוונטית.

בואו נתמודד קודם עם סופרפוזיציה קוונטית.

בעולם הרגיל, אובייקט כמו בייסבול יכול להיות רק במקום אחד בו זמנית. אבל בעולם הקוונטים, חלקיק כמו אלקטרון יכול לתפוס מספר אינסופי של מקומות באותו הזמן, הקיים במה שפיזיקאים מכנים סופרפוזיציה של מספר מצבים. כך שבעולם הקוונטי, דבר אחד לפעמים מתנהג כמו דברים רבים ושונים.

עכשיו בואו נבדוק הסתבכות קוונטית על ידי הרחבת אנלוגיית הבייסבול עוד קצת. בעולם הרגיל שני כדורי בייסב היושבים בארונות כהים באצטדיוני הליגה הגדולה בלוס אנג'לס ובבוסטון הם עצמאיים לחלוטין זה מזה, כך שאם היית פותח את אחד מארונות האחסון כדי להסתכל על בייסבול אחד, שום דבר לחלוטין לא יקרה לבייסבול השני. בארונית אחסון כהה שנמצאת במרחק של 3,000 מייל משם. אבל בעולם הקוונטים שני חלקיקים בודדים, כמו פוטונים פחית להסתבך, כך שעצם חישת פוטון אחד עם גלאי מכריח באופן מיידי את הפוטון השני, לא משנה כמה רחוק, להניח מצב מסוים.

פירושו של הסתבכות כזו ביקום הקוונטי, ישויות נפרדות מרובות יכולות להתנהג לפעמים כישות אחת, לא משנה כמה הן ישויות מובחנות זו מזו.

זה יהיה המקבילה לשינוי מצבו של בייסבול אחד - נניח, לאלץ אותו להיות על המדף העליון לעומת התחתון של ארון האחסון - פשוט על ידי פתיחת ארון אחסון במרחק של 3,000 מייל משם והסתכלות על שונה בייסבול.

התנהגויות "בלתי אפשריות" אלה הופכות ישויות קוונטיות לאידיאליות לביצוע הבלתי אפשרי עם, למשל, מחשבים. במחשבים רגילים פיסת מידע מאוחסנת היא אפס או אחד, אך במחשב קוונטי ביט מאוחסן, הנקרא Qubit (סיבית קוונטית), הוא אפס וגם אחד בו זמנית. לפיכך, כאשר מאגר זיכרון פשוט של 8 ביט יכול להכיל כל מספר בודד בין 0 ל 255 (2 ^ 8 = 256) זיכרון של 8 קוביטים יכול לאחסן 2 ^ 8 = 256 מספרים נפרדים הכל בבת אחת! היכולת לאחסן מידע אקספוננציאלי היא הסיבה מדוע מחשבים קוונטיים מבטיחים זינוק קוונטי בכוח העיבוד.

בדוגמה לעיל, זיכרון של 8 סיביות במחשב קוונטי מאחסן 256 מספרים בין 0 ל -255 בבת אחת ואילו זיכרון של 8 סיביות במחשב רגיל מאחסן רק מספר אחד בין 0 ל -255 בכל פעם. עכשיו דמיין זיכרון קוונטי של 24 סיביות (2 ^ 24 = 16,777,216) עם פי 3 בלבד של קוביטים מזיכרון הראשון שלנו: הוא יכול לאחסן עצום 16,777,216 מספרים שונים בבת אחת!

מה שמביא אותנו לצומת המדע הקוונטי ונוירוביולוגיה. המוח האנושי הוא מעבד חזק בהרבה מכל מחשב הקיים כיום: האם הוא משיג חלק מהעוצמה המדהימה הזו על ידי רתימת מוזרות קוונטית באותו אופן שעושה מחשבים קוונטיים?

עד לא מזמן, תשובת הפיזיקאים לשאלה זו הייתה "לא" מהדהד.

תופעות קוונטיות כגון סופרפוזיציה נשענות על בידוד תופעות מהסביבה הסובבת, במיוחד חום בסביבה שמניע חלקיקים, מה שמרגיז את בית הקוונטים העדין ביותר של קלפי סופרפוזיציה ומכריח חלקיק מסוים לתפוס נקודה A או נקודה B. , אך אף פעם לא שניהם בו זמנית.

לכן, כאשר מדענים חוקרים תופעות קוונטיות הם עושים מאמצים רבים כדי לבודד את החומר שהם לומדים מהסביבה הסובבת, בדרך כלל על ידי הורדת הטמפרטורה בניסויים שלהם לאפס כמעט מוחלט.

אך ראיות הולכות ומתגברות מעולם הפיזיולוגיה של הצמחים לכך שתהליכים ביולוגיים מסוימים המסתמכים על סופרפוזיציה קוונטית מתרחשים בטמפרטורות רגילות, מה שמעלה את האפשרות שעולם מוזר שאי אפשר להעלות על הדעת של מכניקת הקוונטים אכן עשוי לחדור לפעילות יומיומית של מערכות ביולוגיות אחרות, כמו למשל מערכות עצבים.

לדוגמא, במאי 2018 צוות מחקר באוניברסיטת חרונינגן שכלל את הפיזיקאי תומאס לה קור יאנסן מצא עדויות לכך שצמחים וכמה חיידקים פוטוסינתטיים משיגים יעילות של כמעט 100% בהמרת אור השמש לאנרגיה שמיש על ידי ניצול העובדה שספיגת אנרגיית השמש גורמת לכמה אלקטרונים בתוך מולקולות שלוכדות אור להתקיים בו זמנית במצבים קוונטיים נרגשים ולא נרגשים הפרושים למרחקים ארוכים יחסית בתוך הצמח, מה שמאפשר לאלקטרונים המרגשים אור למצוא את הדרך היעילה ביותר מהמולקולות בהן האור נלכד למולקולות שונות בהן אנרגיה שמישה כי הצמח נוצר.

נראה כי האבולוציה, במסע הבלתי פוסק שלה להנדס את צורות החיים החסכוניות ביותר באנרגיה, התעלמה מאמונתם של הפיזיקאים כי השפעות קוונטיות שימושיות אינן יכולות לקרות בסביבות החמות והרטובות של הביולוגיה.

גילוי ההשפעות הקוונטיות בביולוגיה של צמחים הוליד תחום מדע חדש לחלוטין שנקרא ביולוגיה קוונטית. בשנים האחרונות ביולוגים קוונטיים גילו עדויות לתכונות מכניות קוונטיות בתפיסת השדה המגנטי בעיני ציפורים מסוימות (מה שמאפשר לציפורים לנווט במהלך נדידה), והפעלת קולטני ריח בבני אדם. חוקרי הראייה גילו גם כי קולטני אור ברשתית האנושית מסוגלים לייצר אותות חשמליים מלכידה של כמות אחת של אנרגיית אור.

האם האבולוציה גם הפכה את מוחנו ליעילות יתר בייצור אנרגיה שמישה או בהעברת ואחסון מידע בין נוירונים באמצעות אפקטים קוונטיים כגון סופרפוזיציה והסתבכות?

מדעני המוח נמצאים ממש בתחילת חקירת האפשרות הזו, אך אני למשל מתרגש מהתחום המתהווה של מדעי המוח הקוונטיים מכיוון שהוא עלול להוביל לפריצות דרך לסתות בהבנתנו את המוח.

אני אומר זאת מכיוון שההיסטוריה של המדע מלמדת אותנו כי פריצות הדרך הגדולות ביותר מגיעות כמעט תמיד מרעיונות שלפני פריצת דרך מסוימת נשמעים מוזרים להפליא. גילויו של איינשטיין כי המרחב והזמן הם באמת אותו דבר (תורת היחסות הכללית) הוא דוגמה אחת, גילויו של דרווין שבני אדם התפתחו מצורות חיים פרימיטיביות יותר, הוא אחר. וכמובן, גילויו של פלנק, איינשטיין ובוהר של מכניקת הקוונטים מלכתחילה, הוא עוד אחד.

כל אלה מרמזים בתוקף כי הרעיונות העומדים מאחורי המשחק המחר שמשנים את ההתקדמות במדעי המוח, כיום נראים לרוב האנשים כלא שגרתיים ובלתי סבירים.

עכשיו, רק בגלל שביולוגיה קוונטית במוח נשמעת מוזרה ובלתי סבירה, אינה מכשירה אותה אוטומטית למקפצה של קפיצת המדרגה הבאה במדעי המוח. אבל יש לי תחושה שהבנה מעמיקה יותר של ההשפעות הקוונטיות במערכות החיים תניב תובנות חדשות חשובות על מוחנו ומערכות העצבים שלנו, אם ללא שום סיבה אחרת, שאימוץ נקודת מבט קוונטית יגרום למדעני המוח לחפש תשובות באופן מוזר ומוזר. מקומות נפלאים שמעולם לא שקלו לחקור.

וכאשר החוקרים בוחנים את התופעות המוזרות והנפלאות האלה, תופעות אלה, כמו בני דודין המסתבכים בפיזיקת החלקיקים, יכולות להביט בהן לאחור!