Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν κβαντικούς επεξεργαστές που χρησιμοποιούν στοιχειώδη σωματίδια όπως νετρόνια, ηλεκτρόνια ή/και άτομα αντί για ολοκληρωμένα κυκλώματα και τρανζίστορ όπως οι κλασικοί επεξεργαστές. Δύο από τις πιο “τρελές και μαγικές” ιδιότητες που έχουν αυτά τα σωματίδια είναι οι εξής:
– Πρώτον, είναι κατά κάποιον τρόπο συνεχώς “συνδεδεμένα” με άλλα σωματίδια που είναι μπλεγμένα μαζί του μετά από κάποια αλληλεπίδραση. Για παράδειγμα, όταν το σπιν ενός σωματιδίου μετριέται στην κατάσταση “πάνω”, το άλλο σωματίδιο, ακόμη και αν ήταν πολύ μακριά, θα βρισκόταν αμέσως (δηλαδή γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός) στην αντίθετη κατάσταση “κάτω”. Μεγάλες συλλογές περιπλεγμένων σωματιδίων (αν υπήρχαν στον εγκέφαλο) θα μπορούσαν επομένως να συμπεριφέρονται με “ενορχηστρωμένο” ή συντονισμένο τρόπο σε μεγάλες αποστάσεις.
– Δεύτερον, υπάρχουν σε μια υπέρθεση καταστάσεων πριν από οποιαδήποτε μέτρηση. Για παράδειγμα, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο διαφορετικές ενεργειακές στάθμες ή να περιστρέφεται ταυτόχρονα προς τα πάνω και προς τα κάτω. Όταν μετρηθεί, όμως, θα βρίσκεται σε ένα συγκεκριμένο ενεργειακό επίπεδο ή σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση σπιν – λέμε ότι έχει “καταρρεύσει” σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Όταν χρησιμοποιούμε κλασικούς επεξεργαστές, αποδίδουμε ένα συγκεκριμένο “1” ή “0” σε ένα bit. Σε έναν κβαντικό επεξεργαστή, θα μπορούσαμε να αναθέσουμε το “1” στην κατάσταση σπιν-κάτω και το “0” στην κατάσταση σπιν-πάνω, ας πούμε, ενός ηλεκτρονίου. Ωστόσο, μέχρι να μετρήσουμε την κατάσταση, αυτή θα είναι ταυτόχρονα “1” και “0” – όπως ακριβώς ένα νόμισμα που περιστρέφεται δεν είναι ούτε “κορώνα” ούτε “γράμματα” όταν περιστρέφεται. Ως εκ τούτου, ένα κβαντικό bit ή “qubit” μπορεί να αντιπροσωπεύει το “1” ΚΑΙ το “0” ταυτόχρονα, σε αντίθεση με το “bit” του κλασικού επεξεργαστή που μπορεί να αντιπροσωπεύει μόνο το “1” Ή το “0” σε μια χρονική στιγμή. Το bit είναι δυαδικό και σημειακό, αλλά το qubit είναι “χωρικό” και “ασαφές”- αυτό επιτρέπει την παράλληλη επεξεργασία πολύ περισσότερων πληροφοριών, εκμεταλλευόμενο την ιδιότητα των υπερθέσεων. Ένα “bit” αναπαριστά είτε ένα 1 είτε ένα 0 σε ένα χρονικό σημείο, ενώ ένα “qubit” μπορεί να αναπαριστά και τα δύο ταυτόχρονα.1
Διάφορες φυσικές ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων μπορούν να αποδοθούν στα “1” και στα “0”. Για παράδειγμα, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις καταστάσεις spin-up ή spin-down του πυρήνα ενός ατόμου, τα διαφορετικά ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο, ή ακόμη και τον προσανατολισμό του επιπέδου πόλωσης των σωματιδίων φωτός ή των φωτονίων.
Κβαντικοί υπολογιστές με χρήση ατόμων φωσφόρου
Το 2013, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής Αυστραλούς μηχανικούς από το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας (UNSW) δημιούργησε το πρώτο λειτουργικό κβαντικό bit που βασίζεται στο σπιν του πυρήνα ενός μόνο ατόμου φωσφόρου μέσα σε μια προστατευτική κλίνη μη μαγνητικών ατόμων πυριτίου με μηδενικό σπιν. Σε μια πρωτοποριακή δημοσίευση στο περιοδικό Nature, ανέφεραν μια ακρίβεια ρεκόρ στην εγγραφή και ανάγνωση κβαντικών πληροφοριών με τη χρήση του πυρηνικού σπιν. 2
Καθώς ο πυρήνας ενός ατόμου φωσφόρου έχει πολύ ασθενές μαγνητικό πεδίο και διαθέτει τον χαμηλότερο αριθμό σπιν ½ (που σημαίνει ότι είναι λιγότερο ευαίσθητος στα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία), είναι σχεδόν απρόσβλητος από μαγνητικό θόρυβο ή ηλεκτρικές παρεμβολές από το περιβάλλον. Είναι περαιτέρω “θωρακισμένο” από το θόρυβο από την περιβάλλουσα κλίνη ατόμων πυριτίου με μηδενικό σπιν. Κατά συνέπεια, το πυρηνικό σπιν έχει μεγαλύτερο χρόνο συνοχής που επιτρέπει την αποθήκευση πληροφοριών σε αυτό για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, γεγονός που οδηγεί σε πολύ υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας.
“Ο πυρήνας του ατόμου του φωσφόρου περιέχει ένα πυρηνικό σπιν, το οποίο θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ένα εξαιρετικό qubit αποθήκευσης μνήμης χάρη στην πολύ ασθενή ευαισθησία του στο θόρυβο που υπάρχει στο περιβάλλον”.
Andrew Zurak, αναφερόμενος στις εργασίες της ομάδας UNSW, 3
Το 2014, μια άλλη ομάδα (αυτή τη φορά σε συνεργασία Ολλανδίας-ΗΠΑ) χρησιμοποίησε τα πυρηνικά σπιν των ατόμων φωσφόρου στην κβαντική υπολογιστική για να επιτύχει ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια 99,99% και μεγαλύτερο χρόνο συνοχής άνω των 35 δευτερολέπτων. 4,5
Κβαντικοί υπολογιστές στο κεφάλι μας;
Λοιπόν, τι σχέση έχουν όλα αυτά με τον εγκέφαλό μας; Υπάρχουν πολυάριθμα παραδείγματα στην κβαντική βιολογία όπου η κβαντική επεξεργασία είναι ύποπτη- για παράδειγμα, υπάρχουν ενδείξεις ότι τα πτηνά χρησιμοποιούν κβαντικές διεργασίες στους αμφιβληστροειδείς τους για να πλοηγηθούν σε όλη την υδρόγειο και ότι η φωτοσύνθεση εξελίσσεται πιο αποτελεσματικά με την επίτευξη μακροχρόνιων συνεκτικών κβαντικών καταστάσεων. Έχει επίσης παρατηρηθεί ότι η ανθρώπινη αίσθηση της όσφρησης και ορισμένες πτυχές της ανθρώπινης όρασης θα απαιτούσαν κβαντική επεξεργασία για να συμβούν. Έτσι, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι θα πρέπει να αναζητήσουμε την κβαντική επεξεργασία στον ανθρώπινο εγκέφαλο.
Μια από τις πρώτες δημοφιλείς υποθέσεις προτάθηκε από τον Roger Penrose, τον διακεκριμένο φυσικό, και τον Stuart Hammeroff, έναν αναισθησιολόγο. Υπέθεσαν ότι η κβαντική επεξεργασία θα μπορούσε να λαμβάνει χώρα στους μικροσωληνίσκους των νευρώνων.6 Ωστόσο, οι περισσότεροι επιστήμονες ήταν επιφυλακτικοί, καθώς ο εγκέφαλος θεωρούνταν ένα ζεστό, υγρό και θορυβώδες περιβάλλον, όπου η κβαντική συνοχή, η οποία συνήθως λαμβάνει χώρα σε εξαιρετικά απομονωμένα περιβάλλοντα και ψυχρές θερμοκρασίες, θα ήταν αδύνατο να επιτευχθεί. Ούτε ο Penrose ούτε ο Hammeroff έδωσαν ικανοποιητική απάντηση σε αυτή την κριτική της θεωρίας τους. Ωστόσο, υπήρξαν πρόσφατες ανακαλύψεις στην παράταση των χρόνων συνοχής και ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο σπεύδουν να παρατείνουν τους χρόνους συνοχής σε θερμοκρασίες δωματίου με κάποια επιτυχία.7,8 Έτσι, οι ένορκοι δεν έχουν ακόμη αποφανθεί για τη θεωρία των Penrose-Hammeroff.
Οι πρωτοποριακές ιδέες του Φίσερ
Πιο πρόσφατα, το 2015, ο Μάθιου Φίσερ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, δημιούργησε ένα μοντέλο όπου τα πυρηνικά σπιν σε άτομα φωσφόρου μπορούν να χρησιμεύσουν ως qubits. Αυτό το μοντέλο μοιάζει πολύ με αυτό που συζητήθηκε στην προηγούμενη ενότητα, καθώς αναπτύχθηκε σε εργαστηριακό περιβάλλον- η διαφορά είναι ότι αυτή τη φορά εφαρμόστηκε στον ανθρώπινο εγκέφαλο, όπου ο φώσφορος είναι άφθονος9.
“Μήπως εμείς οι ίδιοι θα μπορούσαμε να είμαστε κβαντικοί υπολογιστές και όχι απλώς έξυπνα ρομπότ που σχεδιάζουν και κατασκευάζουν κβαντικούς υπολογιστές;”
Matthew Fisher, 10
Ο Fisher έχει υποστηρίξει αρκετά πειστικά ότι τα σπιν των πυρήνων των ατόμων φωσφόρου μπορούν να απομονωθούν επαρκώς (από το προστατευτικό νέφος ηλεκτρονίων γύρω του και την προστατευτική ασπίδα μιας κλίνης ατόμων με μηδενικό σπιν) και επίσης να “αποσπαστούν” λιγότερο από τον κβαντικό θόρυβο λόγω του ασθενούς μαγνητικού πεδίου του (λόγω του χαμηλού αριθμού σπιν του), επιτρέποντάς του έτσι να διατηρήσει την κβαντική συνοχή. (Οι εργαστηριακές μελέτες που συζητήθηκαν στην προηγούμενη ενότητα και τα πειραματικά αποτελέσματα έχουν επαληθεύσει και επιβεβαιώσει αυτό το γεγονός). Έτσι, σε ένα περιβάλλον όπως ο εγκέφαλος, όπου τα ηλεκτρικά πεδία αφθονούν, οι πυρήνες των ατόμων φωσφόρου θα βρίσκονταν σε ένα επαρκώς απομονωμένο περιβάλλον.
Η διαδικασία ξεκινά στο κύτταρο με μια χημική ένωση που ονομάζεται πυροφωσφορικό. Αποτελείται από δύο φωσφορικά άλατα συνδεδεμένα μεταξύ τους – το καθένα αποτελείται από ένα άτομο φωσφόρου που περιβάλλεται από πολλαπλά άτομα οξυγόνου με μηδενικό σπιν (μια παρόμοια κατάσταση με εκείνη της εργαστηριακής μελέτης που συζητήθηκε παραπάνω, όπου το άτομο φωσφόρου ήταν φωλιασμένο μέσα σε άτομα πυριτίου με μηδενικό σπιν). Η αλληλεπίδραση μεταξύ των σπιν των φωσφορικών αλάτων τα κάνει να περιπλέκονται. Μία από τις προκύπτουσες διαμορφώσεις έχει ως αποτέλεσμα ένα μηδενικό σπιν ή μια “μονήρη” κατάσταση μέγιστης διεμπλοκής. Στη συνέχεια, τα ένζυμα διασπούν τα περιπλεγμένα φωσφορικά άλατα σε δύο ελεύθερα φωσφορικά ιόντα, τα οποία συνεχίζουν να είναι περιπλεγμένα ενώ απομακρύνονται. Αυτά τα περιπλεγμένα φωσφορικά εν συνεχεία συνδυάζονται χωριστά με ιόντα ασβεστίου και άτομα οξυγόνου για να γίνουν μόρια Posner, όπως φαίνεται παρακάτω.
Αυτά τα συμπλέγματα παρέχουν πρόσθετη “θωράκιση” στα περιπλεγμένα ζεύγη από εξωτερικές παρεμβολές, έτσι ώστε να μπορούν να διατηρούν τη συνοχή για πολύ μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα σε μεγάλες αποστάσεις στον εγκέφαλο. Όταν ο Φίσερ υπολόγισε το χρόνο συνοχής για αυτά τα μόρια, προέκυψε το απίστευτο ποσό των 105 δευτερολέπτων – μια ολόκληρη ημέρα.12
What Next?
Αν και ο Φίσερ δεν φαίνεται να διευκρινίζει με λεπτομέρειες τι θα συμβεί στη συνέχεια – κάτι που είναι σημαντικό αν θέλουμε να έχουμε τη συνολική εικόνα – ο συγγραφέας θα προσπαθήσει να το κάνει. Οι πολυάριθμοι περιπλεγμένοι πυρήνες των ατόμων φωσφόρου (μέσα στα μόρια Posner) θα διασκορπιστούν σε μια μεγάλη περιοχή του εγκεφάλου. Θα βρίσκονταν σε μια υπερκείμενη κατάσταση, που θα υπήρχε ως κύματα, για κάποιο χρονικό διάστημα πριν καταρρεύσουν. Όταν συμβεί η κατάρρευση, τα ηλεκτρόνια του ατόμου ανταποκρίνονται. Τα ηλεκτρόνια καθορίζουν τις χημικές ιδιότητες των ατόμων. Έτσι, η κατάρρευση προκαλεί την αλλαγή των χημικών ιδιοτήτων των ατόμων φωσφόρου, με αποτέλεσμα έναν καταρράκτη χημικών αντιδράσεων που στέλνουν έναν καταρράκτη νευροδιαβιβαστών στις συνάψεις των νευρώνων. Η ακολουθία των ηλεκτροχημικών σημάτων ενσωματώνεται στη συνέχεια για να σχηματίσει μια αντίληψη, η οποία ερμηνεύεται με βάση τις εμπειρίες ζωής του ατόμου.
Αυτό επιλύει ένα μακροχρόνιο ερώτημα της νευροεπιστήμης που απασχολούσε τους επιστήμονες: Πώς είναι σε θέση ο εγκέφαλος να ενσωματώσει πληροφορίες από διάφορα μέρη του εγκεφάλου για να σχηματίσει μια συνεκτική αντίληψη; Ίσως με τον “μηχανισμό του Φίσερ” (ένας όρος που έχει φρεσκοτυπωθεί από τον συγγραφέα), μια ταυτόχρονη κατάρρευση των πυρηνικών σπιν των περιπλεγμένων ατόμων φωσφόρου σε διάφορα στρώματα και μέρη του εγκεφάλου θα μπορούσε να είναι η απάντηση.
Περιορισμοί
Ο πιο προφανής περιορισμός είναι ότι προς το παρόν οι ιδέες του Φίσερ δεν έχουν υποβληθεί σε ενδελεχείς δοκιμές, αν και ορισμένες πτυχές (για παράδειγμα, ο μεγαλύτερος χρόνος συνοχής των ατόμων φωσφόρου) έχουν ήδη δοκιμαστεί στο εργαστήριο. Ωστόσο, υπάρχουν σχέδια να γίνει κάτι τέτοιο. Η πρώτη δοκιμή θα είναι αν υπάρχουν μόρια Posner σε εξωκυτταρικά υγρά και αν θα μπορούσαν να περιπλεχθούν. Ο Φίσερ προτείνει να το δοκιμάσει αυτό στο εργαστήριο προκαλώντας χημικές αντιδράσεις για την περιπλοκή των πυρηνικών σπιν του φωσφόρου, ρίχνοντας στη συνέχεια το διάλυμα σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες και αναζητώντας κβαντικές συσχετίσεις στο φως που εκπέμπεται12.
Ο Roger Penrose πιστεύει ότι ο μηχανισμός του Fisher μπορεί μόνο να βοηθήσει στην εξήγηση της μακροπρόθεσμης μνήμης, αλλά μπορεί να μην είναι επαρκής για να εξηγήσει τη συνείδηση.12 Πιστεύει ότι η διατύπωση Penrose-Hammeroff για τους μικροσωληνίσκους, οι οποίοι, όπως λέει, είναι πιο μαζικοί από τους πυρήνες, είναι μια πιο ισχυρή εξήγηση για το σκοπό αυτό, αν και οι περισσότεροι επιστήμονες είναι επιφυλακτικοί. Θα ήταν ενδιαφέρον αν σε αυτούς τους μικροσωληνίσκους βρεθούν μόρια Posner (με περιπλεγμένα σωματίδια) – τότε τόσο η υπόθεση του Fisher όσο και η υπόθεση Penrose-Hammeroff θα ήταν τουλάχιστον εν μέρει σωστές. (Σε όλους αρέσει το αίσιο τέλος!)
Με λίγα λόγια
1. Έχει αποδειχθεί στο εργαστήριο ότι η κβαντική υπολογιστική με απομονωμένα και θωρακισμένα άτομα φωσφόρου οδηγεί σε εξαιρετικά ακριβή αποτελέσματα και μεγαλύτερους χρόνους συνοχής.
2. Ο φώσφορος είναι άφθονος στον εγκέφαλο.
3. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος (και ίσως και οι εγκέφαλοι άλλων ζώων) μπορεί να χρησιμοποιεί τα πυρηνικά σπιν των ατόμων φωσφόρου ως qubits για την εκτέλεση κβαντικών υπολογισμών.
Αναφορά
1. Εικόνα: (2019, Sep 28). Τι κάνει την κβαντική πληροφορική ξεχωριστή; Medium.com.
2. Pla, J., Tan, K., Dehollain, J., Lim, W., Morton, J., Zwanenburg, F., Jamieson, D., Dzurak, A., & Morello, A. (2013). High-fidelity readout and control of a nuclear spin qubit in silicon. Nature, 496(7445), 334-338.
3. Dzurak, A. (2014, Oct 15). Silicon Qubits Could Be the Key to a Quantum Revolution, SciTech Daily.
4. Muhonen, J., Dehollain, J., Laucht, A., Hudson, F., Kalra, R., Sekiguchi, T., Itoh, K., Jamieson, D., McCallum, J., Dzurak, A., & Morello, A. (2014). Αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας για 30 δευτερόλεπτα σε μια νανοηλεκτρονική διάταξη. Nature Nanotechnology, 9(12), 986-991.
5. Veldhorst, M., Hwang, J., Yang, C., Leenstra, A., de Ronde, B., Dehollain, J., Muhonen, J., Hudson, F., Itoh, K., Morello, A., & Dzurak, A. (2014). Ένα διευθυνσιοδοτούμενο qubit κβαντικής κουκκίδας με ανεκτικότητα σε σφάλματα και πιστότητα ελέγχου. Nature Nanotechnology, 9(12), 981-985.
6. Hameroff, S., & Penrose, R. (2014). Συνείδηση στο σύμπαν. Physics of Life Reviews, 11(1), 39-78.
7. Herbschleb, E., Kato, H., Maruyama, Y., Danjo, T., Makino, T., Yamasaki, S., Ohki, I., Hayashi, K., Morishita, H., Fujiwara, M., & Mizuochi, N. (2019). Ultra-long coherence times among room-temperature solid-state spins. Nature Communications, 10(1), 3766.
8. Miao, K., Blanton, J., Anderson, C., Bourassa, A., Crook, A., Wolfowicz, G., Abe, H., Ohshima, T., & Awschalom, D. (2020). Καθολική προστασία της συνοχής σε ένα qubit σπιν στερεάς κατάστασης. Science, eabc5186.
9. Fisher, M.P.A. (2015). Quantum cognition: Η δυνατότητα επεξεργασίας με πυρηνικά σπιν στον εγκέφαλο. Annals of Physics, 362, 593-602.
10. Fernandes, S. (2018, Mar 27) Are We Quantum Computers? The Current (Επιστήμη + Τεχνολογία).
11. Swift, M., Van de Walle, C., & Fisher, M. (2018). Μόρια Posner: από την ατομική δομή στα πυρηνικά σπιν. Physical Chemistry Chemical Physics, 20(18), 12373-12380.
12. Brooks, M. (2015, Dec 15). Βρίσκεται η κβαντική φυσική πίσω από την ικανότητα του εγκεφάλου σας να σκέφτεται; New Scientist.
