Pam ddylech chi Ofalu am Niwrowyddoniaeth Quantwm

Rhag ofn nad ydych wedi clywed, mae gwyddoniaeth Quantum yn wyn poeth ar hyn o bryd, gyda sôn yn gyffrous am gyfrifiaduron cwantwm annirnadwy o bwerus, cyfathrebu cwantwm ultra-effeithlon a seiberddiogelwch anhreiddiadwy trwy amgryptio cwantwm.

Pam yr holl hype?

Yn syml, mae gwyddoniaeth Quantum yn addo llamu enfawr ymlaen yn lle'r camau babanod rydyn ni wedi dod yn gyfarwydd â nhw trwy wyddoniaeth bob dydd. Mae gwyddoniaeth bob dydd, er enghraifft, yn rhoi cyfrifiaduron newydd inni sy'n dyblu mewn pŵer bob 2-3 blynedd, ond mae gwyddoniaeth Quantum yn addo cyfrifiaduron gyda llawer triliynau o weithiau mwy o bwer na'r cyfrifiadur mwyaf cyhyrog sydd ar gael heddiw.

Hynny yw, bydd gwyddoniaeth Quantum, os bydd yn llwyddiannus, yn cynhyrchu newid seismig mewn technoleg a fydd yn ail-lunio'r byd fel rydyn ni'n ei wybod, mewn ffyrdd hyd yn oed yn fwy dwys nag y gwnaeth y Rhyngrwyd neu ffonau smart.

Mae posibiliadau syfrdanol gwyddoniaeth Quantum i gyd yn deillio o un gwirionedd syml: mae ffenomenau cwantwm yn torri'r rheolau sy'n cyfyngu ar yr hyn y gall ffenomenau “clasurol” (normal) ei gyflawni yn llwyr.

Dwy enghraifft lle mae gwyddoniaeth Quantum yn gwneud yr hyn a arferai fod yn amhosibl yn sydyn bosibl, yw arosodiad cwantwm ac ymglymiad cwantwm.

Gadewch inni fynd i’r afael ag arosodiad cwantwm yn gyntaf.

Yn y byd arferol, dim ond mewn un lle y gall gwrthrych fel pêl fas fod mewn un lle. Ond yn y byd cwantwm, gall gronyn fel electron feddiannu nifer anfeidrol o leoedd ar yr un pryd, yn bodoli yn yr hyn y mae ffisegwyr yn ei alw'n uwchosodiad o daleithiau lluosog. Felly yn y byd cwantwm, mae un peth weithiau'n ymddwyn fel llawer o wahanol bethau.

Nawr, gadewch inni archwilio cysylltiad cwantwm trwy ymestyn y gyfatebiaeth pêl fas ychydig ymhellach. Yn y byd arferol mae dwy bêl fas sy'n eistedd mewn loceri tywyll mewn stadia cynghrair mawr yn Los Angeles a Boston yn hollol annibynnol ar ei gilydd, fel pe byddech chi'n agor un o'r loceri storio i edrych ar un bêl fas, ni fyddai unrhyw beth yn digwydd i'r bêl fas arall. mewn locer storio tywyll 3,000 milltir i ffwrdd. Ond yn y byd cwantwm, dau ronyn unigol, fel ffotonau can cael eich clymu, fel bod y weithred yn unig o synhwyro un ffoton â synhwyrydd yn gorfodi'r ffoton arall ar unwaith, ni waeth pa mor bell i ffwrdd, i dybio gwladwriaeth benodol.

Mae ymglymiad o'r fath yn golygu, yn y bydysawd cwantwm, y gall sawl endid gwahanol ymddwyn fel endid sengl, ni waeth pa mor bell oddi wrth ei gilydd yw'r endidau gwahanol.

Byddai hyn yn cyfateb i newid cyflwr un bêl fas - dyweder, gan ei gorfodi i fod ar y silff uchaf yn erbyn locer storio - dim ond trwy agor locer storio 3,000 milltir i ffwrdd a syllu ar lôn gyfan gwahanol pêl fas.

Mae'r ymddygiadau “amhosibl” hyn yn gwneud endidau cwantwm yn ddelfrydol ar gyfer gwneud yr amhosibl gyda, er enghraifft, cyfrifiaduron. Mewn cyfrifiaduron arferol mae darn o wybodaeth sydd wedi'i storio naill ai'n sero neu'n un, ond mewn cyfrifiadur cwantwm mae darn wedi'i storio, o'r enw Qubit (did cwantwm), yn sero ac yn un ar yr un pryd. Felly, lle gall storfa gof syml o 8 darn gynnwys unrhyw rif unigol o 0 i 255 (2 ^ 8 = 256) gall cof o 8 Qubits storio 2 ^ 8 = 256 rhifau ar wahân i gyd ar unwaith! Y gallu i storio mwy o wybodaeth yn esbonyddol yw pam mae cyfrifiaduron cwantwm yn addo naid cwantwm mewn pŵer prosesu.

Yn yr enghraifft uchod, mae cof 8 did mewn cyfrifiadur cwantwm yn storio 256 rhif rhwng 0 a 255 i gyd ar unwaith tra bod cof 8 did mewn cyfrifiadur cyffredin yn storio 1 rhif yn unig rhwng 0 a 255 ar y tro. Nawr dychmygwch gof cwantwm 24 did (2 ^ 24 = 16,777,216) gyda dim ond 3 gwaith cymaint o Qubits â'n cof cyntaf: gallai storio whopping 16,777,216 rhifau gwahanol ar unwaith!

Sy'n dod â ni at groesffordd gwyddoniaeth Quantum a niwrobioleg. Mae'r ymennydd dynol yn brosesydd llawer mwy pwerus nag unrhyw gyfrifiadur sydd ar gael heddiw: a yw'n cyflawni peth o'r pŵer anhygoel hwn trwy harneisio rhyfeddod cwantwm yn yr un ffordd ag y mae cyfrifiaduron cwantwm yn ei wneud?

Hyd yn ddiweddar iawn, ateb ffisegwyr i'r cwestiwn hwnnw fu “Na” ysgubol

Mae ffenomenau cwantwm fel arosodiad yn dibynnu ar ynysu'r ffenomenau hynny o'r amgylchedd cyfagos, yn enwedig gwres yn yr amgylchedd sy'n gosod gronynnau yn symud, gan gynhyrfu tŷ cwantwm hyper-eiddil cardiau o arosodiad a gorfodi gronyn penodol i feddiannu naill ai pwynt A neu bwynt B. , ond byth y ddau ar yr un pryd.

Felly, pan fydd gwyddonwyr yn astudio ffenomenau cwantwm, maen nhw'n mynd i drafferth mawr i ynysu'r deunydd maen nhw'n ei astudio o'r amgylchedd cyfagos, fel arfer trwy ostwng y tymheredd yn eu harbrofion i sero bron yn llwyr.

Ond mae tystiolaeth yn cynyddu o fyd ffisioleg planhigion bod rhai prosesau biolegol sy'n dibynnu ar arosodiad cwantwm yn digwydd ar dymheredd arferol, gan godi'r posibilrwydd y gall byd annirnadwy rhyfedd o fecaneg cwantwm ymwthio i mewn i waith bob dydd systemau biolegol eraill, fel ein systemau nerfol.

Er enghraifft, ym mis Mai 2018 canfu tîm ymchwil ym Mhrifysgol Groningen a oedd yn cynnwys y ffisegydd Thomas la Cour Jansen dystiolaeth bod planhigion a rhai bacteria ffotosynthetig yn cyflawni effeithlonrwydd bron i 100% gan drosi golau haul yn ynni y gellir ei ddefnyddio trwy ecsbloetio'r ffaith bod amsugno ynni'r haul yn achosi rhai electronau i mewn. moleciwlau sy'n dal golau i fodoli ar yr un pryd mewn taleithiau cwantwm cynhyrfus a heb gyffro wedi'u gwasgaru ar draws pellteroedd cymharol hir y tu mewn i'r planhigyn, gan ganiatáu i'r electronau llawn cyffro ddod o hyd i'r llwybr mwyaf effeithlon o'r moleciwlau lle mae golau'n cael ei ddal i wahanol foleciwlau lle mae egni defnyddiadwy. ar gyfer y planhigyn yn cael ei greu.

Mae'n ymddangos bod esblygiad, yn ei ymdrech ddi-baid i beiriannu'r ffurfiau bywyd mwyaf effeithlon o ran ynni, wedi anwybyddu cred ffisegwyr na all effeithiau cwantwm defnyddiol ddigwydd yn amgylcheddau cynnes a gwlyb bioleg.

Mae darganfod effeithiau cwantwm mewn bioleg planhigion wedi arwain at faes gwyddoniaeth cwbl newydd o'r enw bioleg cwantwm. Yn ystod yr ychydig flynyddoedd diwethaf, mae biolegwyr cwantwm wedi datgelu tystiolaeth o briodweddau mecanyddol cwantwm mewn canfyddiad maes magnetig yng ngolwg rhai adar (gan alluogi'r adar i lywio yn ystod ymfudo), ac wrth actifadu derbynyddion aroglau mewn bodau dynol. Mae ymchwilwyr golwg hefyd wedi darganfod bod ffotoreceptors yn y retina dynol yn gallu cynhyrchu signalau trydanol o ddal un quanta o egni ysgafn.

A wnaeth esblygiad hefyd wneud ein hymennydd yn hyper-effeithlon wrth gynhyrchu ynni y gellir ei ddefnyddio neu drosglwyddo a storio gwybodaeth ymhlith niwronau gan ddefnyddio effeithiau cwantwm fel arosodiad a chysylltiad?

Mae niwrowyddonwyr ar ddechrau ymchwilio i'r posibilrwydd hwn, ond rwyf am un yn gyffrous am faes eginol niwrowyddoniaeth cwantwm oherwydd gallai arwain at ddatblygiadau arloesol sy'n gollwng gên yn ein dealltwriaeth o'r ymennydd.

Rwy'n dweud hyn oherwydd bod hanes gwyddoniaeth yn ein dysgu bod y datblygiadau mwyaf bron bob amser yn dod o syniadau sydd, cyn i ddatblygiad penodol ddigwydd, yn swnio'n hynod o ryfedd. Mae darganfyddiad Einstein fod gofod ac amser yr un peth mewn gwirionedd (perthnasedd cyffredinol) yn un enghraifft, mae darganfyddiad Darwin bod bodau dynol wedi esblygu o ffurfiau bywyd mwy cyntefig, yn un arall. Ac wrth gwrs, mae darganfyddiad Planck, Einstein a Bohr o fecaneg cwantwm yn y lle cyntaf, yn un arall eto.

Mae hyn oll yn awgrymu’n gryf y bydd y syniadau y tu ôl i’r gêm yfory yn newid datblygiadau mewn niwrowyddoniaeth, heddiw yn ymddangos i’r rhan fwyaf o bobl yn hynod anuniongred ac annhebygol.

Nawr, nid yw'r ffaith bod bioleg cwantwm yn yr ymennydd yn swnio'n rhyfedd ac yn annhebygol yn ei gymhwyso'n awtomatig i fod yn ffynhonnell y naid enfawr nesaf ymlaen mewn niwrowyddoniaeth. Ond mae gen i gasgliad y bydd dealltwriaeth ddyfnach o effeithiau cwantwm mewn systemau byw yn esgor ar fewnwelediadau newydd pwysig am ein hymennydd a'n systemau nerfol, os am unrhyw reswm arall, y bydd mabwysiadu safbwynt cwantwm yn achosi i niwrowyddonwyr chwilio am atebion mewn rhyfedd a lleoedd hyfryd na wnaethant ystyried ymchwilio iddynt o'r blaen.

A phan fydd ymchwilwyr yn edrych i mewn i'r ffenomenau rhyfedd a rhyfeddol hynny, fe allai'r ffenomenau hynny, fel eu cefndryd ymgysylltiedig mewn ffiseg gronynnau, edrych yn ôl arnyn nhw!