Quantencomputer verwenden Quantenprozessoren, die Elementarteilchen wie Neutronen, Elektronen und / oder Atome anstelle von integrierten Schaltkreisen und Transistoren wie herkömmliche Prozessoren verwenden. Zwei der „verrücktesten und magischsten“ Eigenschaften dieser Partikel sind:
- Erstens sind sie irgendwie ständig an andere Teilchen "angehängt", die nach einer gewissen Wechselwirkung damit verwickelt sind. Wenn zum Beispiel der Spin eines Teilchens im „oben“-Zustand gemessen wird, wäre das andere Teilchen, selbst wenn es sehr weit entfernt wäre, sofort (dh schneller als die Lichtgeschwindigkeit) im entgegengesetzten „unten“-Zustand. Große Ansammlungen komplexer Teilchen (falls im Gehirn vorhanden) könnten sich daher über große Entfernungen "orchestriert" oder koordiniert verhalten.
- Zweitens gibt es vor jeder Messung eine Überlagerung von Zuständen. Beispielsweise kann sich ein Elektron auf zwei verschiedenen Energieniveaus befinden oder gleichzeitig auf und ab rotieren. Gemessen wird es jedoch auf einem bestimmten Energieniveau oder in einer bestimmten Drehrichtung sein – wir sagen, dass es in einem bestimmten Zustand „kollabiert“ ist. Bei klassischen Prozessoren weisen wir einem Bit eine bestimmte „1“ oder „0“ zu. In einem Quantenprozessor könnten wir dem Spin-down-Zustand „1“ und dem Spin-up-Zustand beispielsweise eines Elektrons „0“ zuweisen. Bis wir jedoch die Situation gemessen haben, wird es gleichzeitig "1" und "0" sein - genau wie eine Münze, die sich dreht, weder eine "Krone" noch "Buchstaben" ist, wenn sie sich dreht. Daher kann ein Quantenbit oder „Qubit“ gleichzeitig „1“ UND „0“ darstellen, im Gegensatz zum „Bit“ eines Standardprozessors, der zu einem bestimmten Zeitpunkt nur „1“ Ή „0“ darstellen kann . Das Bit ist binär und punktförmig, aber das Qubit ist „räumlich“ und „unscharf“ – dadurch können viel mehr Informationen parallel verarbeitet werden, wobei die Überlagerungseigenschaft ausgenutzt wird. Ein „Bit“ stellt zu einem bestimmten Zeitpunkt entweder eine 1 oder eine 0 dar, während ein „Qubit“ beides gleichzeitig darstellen kann.1
„1“ und „0“ können verschiedene physikalische Eigenschaften von Elementarteilchen zugeordnet werden. Beispielsweise können wir die Spin-up- oder Spin-down-Zustände eines Atomkerns, die unterschiedlichen Energieniveaus von Elektronen in einem Atom oder sogar die Ausrichtung des Polarisationsniveaus von Lichtteilchen oder Photonen verwenden.
Quantencomputer mit Phosphoratomen
Im Jahr 2013 schuf ein Forschungsteam unter der Leitung australischer Ingenieure der University of New South Wales (UNSW) das erste funktionsfähige Quantenbit, das auf dem Spin eines einzelnen Phosphorkerns in einem nichtmagnetischen Siliziumatombett mit Nullspin basiert. In einer bahnbrechenden Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature berichteten sie über eine Rekordgenauigkeit beim Aufzeichnen und Lesen von Quanteninformationen mithilfe des Kernspins. 2
Da der Kern eines Phosphoratoms ein sehr schwaches Magnetfeld und die niedrigste Anzahl an Spins που hat (was bedeutet, dass er weniger empfindlich gegenüber elektrischen und magnetischen Feldern ist), ist er nahezu unverwundbar gegenüber magnetischem Rauschen oder elektrischen Störungen aus der Umgebung. Es wird weiter durch das Rauschen aus dem umgebenden Bett aus Siliziumatomen mit Null-Spin "abgeschirmt". Dadurch hat der Kernspin eine längere Kohärenzzeit, wodurch Informationen länger darauf gespeichert werden können, was zu einer viel höheren Genauigkeit führt.
„Der Phosphoratomkern enthält einen Kernspin, der dank seiner sehr schwachen Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsgeräuschen als hervorragendes Speicher-Qubit fungieren könnte.“
Andrew Zurak, Bezug nehmend auf die Arbeit des UNSW-Teams, 3
Im Jahr 2014 nutzte ein anderes Team (diesmal in Zusammenarbeit zwischen den Niederlanden und den USA) die Kernspins von Phosphoratomen im Quantencomputer, um eine noch höhere Genauigkeit von 99,991 TP2T und eine längere Kohärenzzeit von über 35 Sekunden zu erreichen. 4.5
Quantencomputer in unseren Köpfen?
Was hat das alles mit unserem Gehirn zu tun? Es gibt zahlreiche Beispiele in der Quantenbiologie, bei denen die Quantenverarbeitung verdächtig ist - zum Beispiel gibt es Hinweise darauf, dass Vögel Quantenprozesse in ihrer Netzhaut verwenden, um den Globus zu navigieren, und dass sich die Photosynthese langfristig konsistenter und effizienter entwickelt. Es wurde auch beobachtet, dass der menschliche Geruchssinn und bestimmte Aspekte des menschlichen Sehens eine Quantenverarbeitung erfordern würden, um auftreten zu können. Daher ist es nicht verwunderlich, dass wir nach Quantenverarbeitung im menschlichen Gehirn suchen sollten.
Eine der ersten populären Hypothesen wurde von Roger Penrose, einem angesehenen Physiker, und Stuart Hammeroff, einem Anästhesisten, aufgestellt. Sie stellten die Hypothese auf, dass die Quantenverarbeitung in den Mikrotubuli von Neuronen stattfinden könnte.6 Die meisten Wissenschaftler waren jedoch skeptisch, da das Gehirn als heiße, feuchte und laute Umgebung galt, in der die Quantenkohärenz, die normalerweise in extrem isolierten Umgebungen stattfindet, stattfindet kalten Temperaturen, wäre es unmöglich zu erreichen. Weder Penrose noch Hammeroff reagierten zufriedenstellend auf diese Kritik ihrer Theorie. Es wurden jedoch kürzlich Entdeckungen zur Verlängerung der Kohäsionszeiten gemacht, und Forschungsteams auf der ganzen Welt beeilen sich, die Kohäsionszeiten mit einigem Erfolg auf Raumtemperatur zu verlängern.7,8 Daher haben die Juroren die Penrose-Hammeroff-Theorie noch nicht entschieden.
Fishers bahnbrechende Ideen
Zuletzt, im Jahr 2015, entwickelte Matthew Fisher, Physiker an der University of California, Berkeley, ein Modell, in dem Kernspins in Phosphoratomen als Qubits dienen können. Dieses Modell ist dem im vorherigen Abschnitt besprochenen sehr ähnlich, da es in einer Laborumgebung entwickelt wurde – der Unterschied besteht darin, dass es dieses Mal auf das menschliche Gehirn angewendet wurde, wo Phosphor reichlich vorhanden ist9.
„Können wir selbst Quantencomputer sein und nicht nur intelligente Roboter, die Quantencomputer entwerfen und bauen?“
Matthäus Fischer, 10
Fisher hat ziemlich überzeugend argumentiert, dass die Spins von Phosphoratomkernen ausreichend isoliert werden können (von der sie umgebenden Elektronenwolke und dem Schutzschild eines Nullspin-Atombetts) und auch weniger durch Quantenrauschen aufgrund eines schwachen Magnetfelds abgelenkt werden ( aufgrund seiner niedrigen Spinzahl), was es ihm ermöglicht, die Quantenkohärenz aufrechtzuerhalten. (Die im vorigen Abschnitt diskutierten Laboruntersuchungen und die experimentellen Ergebnisse haben diese Tatsache verifiziert und bestätigt). In einer Umgebung wie dem Gehirn, in der elektrische Felder im Überfluss vorhanden sind, würden sich die Kerne von Phosphoratomen also in einer ausreichend isolierten Umgebung befinden.
Der Prozess beginnt in der Zelle mit einer Chemikalie namens Pyrophosphat. Es besteht aus zwei miteinander verbundenen Phosphaten – jedes besteht aus einem Phosphoratom, das von mehreren Sauerstoffatomen mit Null-Spin umgeben ist (eine ähnliche Situation wie bei der oben diskutierten Laborstudie, wo das Phosphoratom in Siliziumatomen mit Null-σπιν verschachtelt war). Die Wechselwirkung zwischen den Spins der Phosphate macht sie kompliziert. Eine der resultierenden Konfigurationen führt zu einem Null-Spin oder einem "einzigen" Zustand maximaler Interferenz. Die Enzyme zerlegen dann die verschränkten Phosphate in zwei freie Phosphationen, die beim Entfernen weiterhin verschränkt bleiben. Diese komplexen Phosphate werden dann separat mit Calciumionen und Sauerstoffatomen kombiniert, um Posner-Moleküle zu bilden, wie unten gezeigt.
Diese Cluster bieten den komplizierten Paaren eine zusätzliche "Abschirmung" vor externen Störungen, so dass sie die Kohärenz über viel größere Entfernungen über große Entfernungen im Gehirn aufrechterhalten können. Als Fisher die Kohärenzzeit für diese Moleküle berechnete, ergab sich die unglaubliche Summe von 105 Sekunden – ein ganzer Tag.12
Was als nächstes?
Obwohl Fischer nicht im Detail zu spezifizieren scheint, was als nächstes passieren wird – was wichtig ist, wenn wir das große Ganze sehen wollen – wird der Autor es versuchen. Zahlreiche komplexe Kerne von Phosphoratomen (innerhalb von Posner-Molekülen) werden über einen großen Bereich des Gehirns verstreut. Sie würden sich einige Zeit in einem übernatürlichen Zustand befinden und als Wellen existieren, bevor sie zusammenbrechen. Wenn der Kollaps auftritt, reagieren die Elektronen des Atoms. Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften von Atomen. Der Zusammenbruch verursacht also eine Veränderung der chemischen Eigenschaften der Phosphoratome, was zu einer Kaskade chemischer Reaktionen führt, die eine Kaskade von Neurotransmittern zu den Synapsen von Neuronen senden. Die Abfolge elektrochemischer Signale wird dann in eine Wahrnehmung eingearbeitet, die anhand der Lebenserfahrungen des Individuums interpretiert wird.
Damit ist eine langjährige neurowissenschaftliche Frage gelöst, die Wissenschaftler beschäftigt: Wie ist das Gehirn in der Lage, Informationen aus verschiedenen Teilen des Gehirns zu einer kohärenten Wahrnehmung zu integrieren? Vielleicht könnte mit dem "Fisher-Mechanismus" (ein vom Autor neu geprägter Begriff) ein gleichzeitiger Zusammenbruch der Kernspins von Phosphoratomen, die in verschiedenen Schichten und Teilen des Gehirns verschränkt sind, die Antwort sein.
Einschränkungen
Die offensichtlichste Einschränkung ist, dass Fischers Ideen noch nicht gründlich getestet wurden, obwohl einige Aspekte (zum Beispiel die längere Kohäsionszeit von Phosphoratomen) bereits im Labor getestet wurden. Es gibt jedoch Pläne, dies zu tun. Der erste Test wird sein, ob es Posner-Moleküle in extrazellulären Flüssigkeiten gibt und ob sie kompliziert sein könnten. Fisher schlägt vor, dies im Labor zu testen, indem er chemische Reaktionen verursacht, die den Kernspin von Phosphor verkomplizieren, dann die Lösung in zwei Reagenzgläser gießt und nach Quantenkorrelationen im emittierten Licht sucht12.
Roger Penrose glaubt, dass Fishers Mechanismus nur helfen kann, das Langzeitgedächtnis zu erklären, aber möglicherweise nicht ausreicht, um das Bewusstsein zu erklären.12 Er glaubt, dass die Penrose-Hammeroff-Formulierung für Mikrotubuli, von denen er sagt, dass sie massiver sind als Kerne, eine aussagekräftigere Erklärung ist dafür, obwohl die meisten Wissenschaftler skeptisch sind. Es wäre interessant, wenn sich in diesen Mikrotubuli Posner-Moleküle (mit komplexen Teilchen) finden ließen – dann wäre sowohl die Fisher-Hypothese als auch die Penrose-Hammeroff-Hypothese zumindest teilweise richtig. (Jeder mag ein Happy End!)
In wenigen Worten
1. Im Labor wurde nachgewiesen, dass Quantencomputing mit isolierten und abgeschirmten Phosphoratomen zu extrem genauen Ergebnissen und längeren Konsistenzzeiten führt.
2. Phosphor ist im Gehirn reichlich vorhanden.
3. Das menschliche Gehirn (und möglicherweise das Gehirn anderer Tiere) kann die Kernspins von Phosphoratomen als Qubits verwenden, um Quantenberechnungen durchzuführen.
Prüfbericht
1. Bild: (2019, 28. September). Was macht Quantencomputing besonders? Medium.com.
2. Pla, J., Tan, K., Dehollain, J., Lim, W., Morton, J., Zwanenburg, F., Jamieson, D., Dzurak, A., & Morello, A. (2013) . Hochgenaues Auslesen und Steuern eines Kernspin-Qubits in Silizium. Natur, 496 (7445), 334-338.
3. Dzurak, A. (2014, 15. Okt.). Silizium-Qubits könnten der Schlüssel zu einer Quantenrevolution sein, 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). Speichern Sie Quanteninformationen für 30 Sekunden auf einem nanoelektronischen Gerät. 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). Ein adressierbares Quantenpunkt-Qubit mit Fehlertoleranz und Steuertreue. Nature Nanotechnology, 9 (12), 981-985.
6. Hameroff, S., & Penrose, R. (2014). Bewusstsein im Universum. Physics of Life Reviews, 11 (1), 39-78.
Herbschleb, E., Kato, H., Maruyama, Y., Danjo, T., Makino, T., Yamasaki, S., Ohki, I., Hayashi, K., Morishita, H., Fujiwara, M., & Mizuochi, N. (2019). Ultralange Kohärenzzeiten zwischen Festkörperspins bei Raumtemperatur. 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) . Universeller Kohäsionsschutz in einem Festkörper-Qubit-Spin. Wissenschaft, eabc5186.
9. Fisher, MPA (2015). Quantenkognition: Die Fähigkeit, Kernspins im Gehirn zu verarbeiten. Annalen der Physik, 362, 593-602.
10. Fernandes, S. (2018, 27. März) Sind wir Quantencomputer? Der Strom (Wissenschaft + Technologie).
11. Swift, M., Van de Walle, C., & Fisher, M. (2018). Posner-Moleküle: von der Atomstruktur zum Kernspin. Physikalische Chemie Chemische Physik, 20 (18), 12373-12380.
12. Brooks, M. (2015, 15. Dezember). Steckt Quantenphysik hinter der Denkfähigkeit Ihres Gehirns? Neuer Wissenschaftler.
