لماذا يجب أن تهتم بعلم الأعصاب الكم

في حال لم تكن قد سمعت ، فإن علم الكم أصبح ساخنًا في الوقت الحالي ، مع حديث متحمس عن أجهزة كمبيوتر كمومية قوية بشكل لا يمكن تصوره ، واتصالات كمومية فائقة الكفاءة وأمن إلكتروني لا يمكن اختراقه من خلال التشفير الكمي.

لماذا كل هذا الضجيج؟

ببساطة ، يعد علم الكم بقفزات عملاقة إلى الأمام بدلاً من الخطوات الصغيرة التي اعتدنا عليها من خلال العلوم اليومية. فالعلوم اليومية ، على سبيل المثال ، تمنحنا أجهزة كمبيوتر جديدة تضاعف طاقتها كل 2-3 سنوات ، في حين أن علم الكم يعد أجهزة الكمبيوتر بالعديد من تريليونات المرات قوة أكبر من أكثر أجهزة الكمبيوتر المتوفرة اليوم عضلية.

بعبارة أخرى ، سينتج علم الكم ، إذا نجح ، تحولًا زلزاليًا في التكنولوجيا سيعيد تشكيل العالم كما نعرفه ، بطرق أكثر عمقًا مما فعلته الإنترنت أو الهواتف الذكية.

تنبع كل الاحتمالات المذهلة لعلم الكم من حقيقة واحدة بسيطة: الظواهر الكمومية تكسر تمامًا القواعد التي تحد مما يمكن أن تحققه الظواهر "الكلاسيكية" (العادية).

مثالان على أن علم الكم يجعل ما كان مستحيلًا فجأة ممكنًا ، هما التراكب الكمي والتشابك الكمومي.

دعونا نتعامل مع التراكب الكمي أولاً.

في العالم الطبيعي ، لا يمكن أن يوجد شيء مثل كرة القاعدة إلا في مكان واحد في وقت واحد. لكن في عالم الكم ، يمكن لجسيم مثل الإلكترون أن يحتل عددًا لا حصر له من الأماكن في نفس الوقت، موجود في ما يسميه الفيزيائيون تراكب حالات متعددة. لذلك في عالم الكم ، يتصرف شيء واحد في بعض الأحيان مثل العديد من الأشياء المختلفة.

الآن دعونا نفحص التشابك الكمومي بتوسيع تشبيه البيسبول أكثر قليلاً. في العالم العادي ، فإن كرتا بيسبول تجلسان في خزائن مظلمة في ملاعب الدوري الرئيسية في لوس أنجلوس وبوسطن مستقلتان تمامًا عن بعضهما البعض ، بحيث إذا فتحت إحدى خزانات التخزين للنظر إلى لعبة بيسبول واحدة ، فلن يحدث شيء على الإطلاق للبيسبول الآخر في خزانة تخزين مظلمة على بعد 3000 ميل. لكن في عالم الكم ، يوجد جسيمان منفردان ، مثل الفوتونات تستطيع متشابكًا ، بحيث يؤدي مجرد استشعار فوتون واحد بكاشف إلى إجبار الفوتون الآخر ، بغض النظر عن بُعده ، على افتراض حالة معينة.

يعني هذا التشابك أنه في الكون الكمومي ، يمكن للعديد من الكيانات المتميزة أحيانًا أن تتصرف ككيان واحد ، بغض النظر عن مدى تباعد الكيانات المتميزة.

سيكون هذا مكافئًا لتغيير حالة لعبة بيسبول - على سبيل المثال ، إجبارها على أن تكون على الرف العلوي مقابل الرف السفلي لخزانة التخزين - ببساطة عن طريق فتح خزانة تخزين على بعد 3000 ميل والتحديق بالكامل مختلف البيسبول.

تجعل هذه السلوكيات "المستحيلة" الكيانات الكمية مثالية لعمل المستحيل ، على سبيل المثال ، بأجهزة الكمبيوتر. في أجهزة الكمبيوتر العادية ، يكون جزء من المعلومات المخزنة إما صفرًا أو واحدًا ، ولكن في الكمبيوتر الكمومي ، يكون البت المخزن ، المسمى Qubit (بت الكم) ، صفرًا وواحدًا في نفس الوقت. وبالتالي ، حيث يمكن لمخزن ذاكرة بسيط مكون من 8 بتات أن يحتوي على أي رقم فردي من 0 إلى 255 (2 ^ 8 = 256) ، يمكن لذاكرة 8 كيوبت تخزين 2 ^ 8 = 256 أرقام منفصلة كله مره و احده! إن القدرة على تخزين المزيد من المعلومات بشكل كبير هي السبب في أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعد بقفزة نوعية في قوة المعالجة.

في المثال أعلاه ، تخزن ذاكرة 8 بت في الكمبيوتر الكمومي 256 رقمًا بين 0 و 255 دفعة واحدة بينما تخزن الذاكرة 8 بت في الكمبيوتر العادي رقمًا واحدًا فقط بين 0 و 255 في المرة الواحدة. تخيل الآن ذاكرة كمومية 24 بت (2 ^ 24 = 16،777،216) مع ثلاثة أضعاف فقط من Qubits مثل ذاكرتنا الأولى: يمكن أن تخزن كمية هائلة 16777216 رقمًا مختلفًا دفعة واحدة!

وهو ما يقودنا إلى تقاطع علم الكم وعلم الأعصاب. يعتبر الدماغ البشري معالجًا أقوى بكثير من أي جهاز كمبيوتر متوفر اليوم: هل يحقق بعض هذه القوة الهائلة من خلال تسخير الغرابة الكمية بنفس الطريقة التي تعمل بها أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟

حتى وقت قريب جدًا ، كانت إجابة الفيزيائيين على هذا السؤال هي "لا".

تعتمد الظواهر الكمومية مثل التراكب على عزل تلك الظواهر عن البيئة المحيطة ، وخاصة الحرارة في البيئة التي تحرك الجسيمات ، مما يزعج البيت الكمي شديد الحساسية لبطاقات التراكب ويجبر جسيمًا معينًا على احتلال إما النقطة أ أو النقطة ب. ، ولكن ليس كلاهما في نفس الوقت.

وهكذا ، عندما يدرس العلماء الظواهر الكمومية ، فإنهم يبذلون جهودًا كبيرة لعزل المادة التي يدرسونها من البيئة المحيطة ، عادةً عن طريق خفض درجة الحرارة في تجاربهم إلى الصفر المطلق تقريبًا.

لكن الأدلة تتزايد من عالم فيزيولوجيا النبات على أن بعض العمليات البيولوجية التي تعتمد على التراكب الكمومي تحدث في درجات الحرارة العادية ، مما يزيد من احتمال أن يتدخل عالم ميكانيكا الكم الغريب بشكل لا يمكن تصوره في الأعمال اليومية للأنظمة البيولوجية الأخرى ، مثل نظامنا البيولوجي. الجهاز العصبي.

على سبيل المثال ، في مايو 2018 ، وجد فريق بحث في جامعة جرونينجن شمل الفيزيائي توماس لا كور يانسن دليلًا على أن النباتات وبعض بكتيريا التمثيل الضوئي تحقق كفاءة بنسبة 100٪ تقريبًا في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة قابلة للاستخدام من خلال استغلال حقيقة أن امتصاص الطاقة الشمسية يسبب بعض الإلكترونات في تتواجد الجزيئات الملتقطة للضوء في نفس الوقت في كل من الحالات الكمومية المُثارة وغير المُثارة المنتشرة عبر مسافات طويلة نسبيًا داخل النبات ، مما يسمح للإلكترونات المُثارة بالضوء بالعثور على المسار الأكثر كفاءة من الجزيئات حيث يتم التقاط الضوء إلى جزيئات مختلفة حيث يتم استخدام الطاقة للمصنع.

يبدو أن التطور ، في سعيه الدؤوب لهندسة أكثر أشكال الحياة كفاءة في استخدام الطاقة ، قد تجاهل اعتقاد الفيزيائيين بأن التأثيرات الكمية المفيدة لا يمكن أن تحدث في البيئات الدافئة والرطبة في البيولوجيا.

أدى اكتشاف التأثيرات الكمية في بيولوجيا النبات إلى ظهور مجال علمي جديد تمامًا يسمى بيولوجيا الكم. في السنوات القليلة الماضية ، اكتشف علماء الأحياء الكمومية دليلًا على خصائص ميكانيكا الكم في إدراك المجال المغناطيسي في عيون بعض الطيور (تمكين الطيور من التنقل أثناء الهجرة) ، وفي تنشيط مستقبلات الشم لدى البشر. اكتشف باحثو الرؤية أيضًا أن المستقبلات الضوئية في شبكية العين البشرية قادرة على توليد إشارات كهربائية من التقاط كمية واحدة من الطاقة الضوئية.

هل أدى التطور أيضًا إلى جعل أدمغتنا فائقة الكفاءة في توليد طاقة قابلة للاستخدام أو نقل المعلومات وتخزينها بين الخلايا العصبية باستخدام التأثيرات الكمية مثل التراكب والتشابك؟

علماء الأعصاب في بدايات التحقيق في هذا الاحتمال ، لكنني شخصياً متحمس للمجال الناشئ لعلم الأعصاب الكمومي لأنه قد يؤدي إلى اختراقات مذهلة في فهمنا للدماغ.

أقول هذا لأن تاريخ العلم يعلمنا أن أكبر الاختراقات تأتي دائمًا تقريبًا من الأفكار التي تبدو غريبة بشكل لا يصدق قبل حدوث اختراق معين. اكتشاف أينشتاين أن المكان والزمان هما في الحقيقة الشيء نفسه (النسبية العامة) هو أحد الأمثلة ، واكتشاف داروين أن البشر تطوروا من أشكال حياة أكثر بدائية ، هو مثال آخر. وبالطبع ، فإن اكتشاف بلانك وأينشتاين وبوهر لميكانيكا الكم في المقام الأول ، هو شيء آخر.

كل هذا يشير بقوة إلى أن الأفكار الكامنة وراء تقدم لعبة الغد المتغيرة في علم الأعصاب ، ستبدو اليوم لمعظم الناس غير تقليدية للغاية وغير محتملة.

الآن ، فقط لأن بيولوجيا الكم في الدماغ تبدو غريبة وغير محتملة لا تؤهلها تلقائيًا لتكون مصدر القفزة العملاقة التالية إلى الأمام في علم الأعصاب. لكن لدي حدس مفاده أن الفهم الأعمق للتأثيرات الكمومية في الأنظمة الحية سيؤدي إلى رؤى جديدة مهمة حول أدمغتنا وأنظمتنا العصبية ، إن لم يكن لسبب آخر ، فإن تبني وجهة نظر كمية سيجعل علماء الأعصاب يبحثون عن إجابات بطريقة غريبة و أماكن رائعة لم يفكروا في استكشافها من قبل.

وعندما ينظر المحققون إلى تلك الظواهر الغريبة والرائعة ، فإن تلك الظواهر ، مثل أبناء عمومتهم المتشابكين في فيزياء الجسيمات ، قد تنظر إليهم مرة أخرى!