Мозок - квантовий комп'ютер. Як професор Фішер після депресії знайшов унікальну молекулу
Давно висунута гіпотеза, згідно з якою наш мозок являє собою не що інше, як біохімічний квантовий комп'ютер. В основі цієї ідеї лежить припущення про те, що свідомість нез'ясовно в рамках класичної фізики і вимагає для свого осягнення урахування квантових ефектів, тих самих, які лежать в основі концепції квантових обчислень. Вчені з Каліфорнійського університету в Санта-Барбари (UCSB) вирішили шляхом серії експериментів з'ясувати, чи дійсно наші мізки є квантовими комп'ютерами.
Часто проводять паралель між мозком і звичайним комп'ютером. На перший погляд, комп'ютер і мозок працюють однаково - обидва обробляють інформацію, можуть її зберігати, приймають рішення, а також мають справу з інтерфейсами введення і виведення. У разі мозку цими інтерфейсами виступають наші органи почуттів, а також органи мови і пальці, з допомогою яких ми спілкуємося, усно і письмово, з іншими людьми і з комп'ютерами.
Звідси й ідея про штучний інтелект (ШІ), який, мовляв, ось-ось наздожене, а потім і обжене людський. У деяких сферах вже далеко обігнав: в обчисленнях, грі в шахи, а два роки тому - і в грі го. Якщо людина - це всього лише відстала версія комп'ютера, то з часом ІІ поневолить людство. Так прогнозує, наприклад, Ілон Маск.
Проте аналогія між мозком і звичайним комп'ютером оманлива. На відміну від комп'ютера, всього лише виконує крок за кроком приписані йому алгоритми, мозок здатний до миттєвим інтуїтивним прозрінням. І замість перебору безлічі варіантів мозок схильний приймати спонтанні рішення, що нерідко рятувала людині життя в екстремальних ситуаціях (а нерідко і губило).
Ці міркування підштовхують шукати пояснення феномену свідомості в загадковому світі квантових об'єктів. Досить багато прихильників має ідея про те, що різноманітні процеси роботи нашого мозку, незбагненні з точки зору класичної фізики, можна пояснити з позицій квантової механіки, вдавшись до таких понять, як суперпозиція станів і квантова заплутаність.
Зрозуміло, з цією ідеєю згодні не всі. Ось учені з UCSB і взялися перевірити її дослідним шляхом. "Якщо припущення про квантових процесах, що відбуваються в мозку, знайде підтвердження, то це призведе до справжньої революції в нашому розумінні і лікуванні мозкових функцій і когнітивних здібностей людини", - говорить Метью Хельгесон, один з провідних учасників команди UCSB, що займається даним дослідженням.
Успіх цього проекту буде означати, що мислення людей і взагалі психіка живих істот ґрунтуються на тих же квантових ефектах, які використовуються при розробці квантових комп'ютерів. У світі квантових обчислень все підпорядковується квантової механіки. Вона адекватно описує поведінку і взаємодію найдрібніших об'єктів типу молекул, атомів, елементарних частинок, а також ряд цілком макроскопічних ефектів, таких як надплинність і надпровідність, які проявляються не тільки на мікрорівні, але і в звичних для нас масштабах.
Однією з ключових особливостей квантових обчислень є використання в якості носія інформації так званих кубітів (квантових бітів), а не звичайних бітів, якими оперують звичайні комп'ютери. Біт являє собою мінімальну одиницю інформації - вибір між двома альтернативами: "включено" або "вимкнено", "одиниця" або "нуль". На відміну від бітів, кубіти можуть одночасно набувати значення і "нуля" та "одиниці", тобто перебувати в так званій суперпозиції станів. А коли є кілька кубітів, то їх стану можуть заплутуватися. Завдяки цьому два кубіта з інформаційної ємності еквівалентні двом звичайним бітам, три кубіта - чотирьох бітів, чотири кубіта - восьми бітам, п'ять кубітів - 16 біт і т. д. Якщо продовжити цю послідовність, то виявиться, що лише 80 заплутаних один з одним кубітів можуть містити кількість бітів інформації, порівнянне з числом атомів у всій видимій Всесвіту.
Як бачимо, квантові комп'ютери обіцяють просто неймовірний потенціал в комп'ютерних обчисленнях, який дозволить справлятися з завданнями (у тому числі і в науці), на які не здатні навіть найпотужніші звичайні комп'ютери. І якщо вже порівнювати з чим-то людський мозок, то саме з квантовими комп'ютерами.
Що ж стосується дослідження вчених з UCSB, то воно буде спрямовано на пошук "мозкових" кубітів. Однією з основних особливостей тих кубітів, які використовуються в квантових комп'ютерах, є те, що для їх роботи потрібен середовище з дуже низькою температурою, яка наближається до абсолютного нуля. При більш високих температурах відбувається моментально декогеренції, руйнівне квантова заплутаність. Проте дослідники сподіваються довести, що це правило не є обов'язковим для кубітів, які можуть перебувати у людському організмі.
В рамках одного з майбутніх експериментів вчені намагаються з'ясувати, чи можуть роль кубітів грати атомні ядра. Як припускає науковий керівник проекту, професор фізики UCSB Метью Фішер, ядра деяких атомів у складі деяких молекул здатні зберігати квантову інформацію протягом годин або навіть більшого часу. Зокрема, об'єктом дослідження стануть атоми фосфору, які, на думку вчених, можуть виявитися біохімічними кубітами. В організмі людини фосфор - один з найважливіших елементів, на його частку припадає близько 1% ваги нашого тіла. Правда, основна частина (до 85%) зосереджена в кістковій тканині і зубах, але він зустрічається в клітинах організму практично повсюдно, у т. ч. у всіх клітинах нервової системи і головного мозку.
У рамках іншого експерименту вчені хочуть вивчити потенціал декогеренции, руйнує зв'язку між кубітами. Щоб наш мозок міг працювати в якості квантового комп'ютера, в ньому повинна бути система, яка дозволяла б захищати наші біологічні кубіти від цієї декогеренции.
Завданням ще одного експерименту стане дослідження мітохондрій - клітинних органел, які відповідають за метаболізм і передачу енергії всередині організму. Вчені припускають, що ці органели можуть грати істотну роль в квантової заплутаності. У 2015 р. американські біохіміки довели, що порушення в мітохондріях нейронів (клітин мозку) ускладнюють вивільнення нейронами нейромедіаторів - активних хімічних речовин, за допомогою яких здійснюється межклеточная комунікація. Нейромедіатори і синаптичні зв'язки між нейронами, можливо, створюють в нашому мозку квантові мережі. Професор Фішер і його команда хочуть це перевірити, спробувавши відтворити таку систему в лабораторних умовах.
Процеси квантових обчислень, якщо вони дійсно присутні в нашому мозку, допоможуть нам пояснити і зрозуміти самі загадкові його функції, наприклад, його здатність переводити пам'ять з короткочасної в довготривалу. Також можна буде наблизитись до розуміння того, звідки ж насправді беруться наші свідомість, розуміння і емоції.
Все це - дуже високий рівень, дуже складна фізика, поряд з біохімією. Тому тут ніхто не буде гарантувати, що ми зможемо отримати всі відповіді на поставлені питання. Але навіть якщо виявиться, що ми поки ще не здатні точно з'ясувати, чи є наш мозок квантовим комп'ютером, заплановані дослідження можуть внести великий внесок у розуміння того, як працює самий складний орган людини.
Що вже знайшов Метью Фішер
Метью Фішер, фізик з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, після успішного лікування депресії у кінці 1980-х зацікавився нейробиологическими механізмами роботи антидепресантів і розмірковував про можливість квантових процесів у головному мозку. У результаті багаторічних пошуків сховища квантової інформації в мозку Фішер визначив на цю роль атоми фосфору.
У листопаді 2015 р. журнал Annals of Physics опублікував статтю Фішера, у якій автор висунув гіпотезу про те, що ядра (точніше, ядерні спини, тобто власні моменти обертання ядер) атомів фосфору можуть служити в головному мозку чимось на зразок кубітів (квантових бітів), а значить, мозок може функціонувати за принципом квантового комп'ютера. У статті Фішер також навів аргументи на користь своєї гіпотези. Він заявив, що ідентифікував унікальну молекулу (вона складається з шести атомів фосфору, дев'яти атомів кальцію і 24 атомів кисню), що зберігає "мозкові" кубіти протягом досить тривалого часу.
Робота Фішера викликала різні відгуки, в т. ч. і доброзичливі. Директор Інституту квантової інформації і матерії Каліфорнійського технологічного інституту Джон Прескилл докладно описав результати Фішера своїм студентам у спеціальній статті, яку завершив словами: "Якщо ви молодий і амбітний вчений, ви можете опинитися перед дилемою: слід займатися квантовою фізикою або ж нейронаукой? Можливо, правильна відповідь: обома".
