Las computadoras cuánticas utilizan procesadores cuánticos que utilizan partículas elementales como neutrones, electrones y/o átomos en lugar de circuitos integrados y transistores como los procesadores clásicos. Dos de las propiedades más “locas y mágicas” que tienen estas partículas son las siguientes:
– En primer lugar, de alguna manera está constantemente "conectado" con otras partículas que se entrelazan con él después de alguna interacción. Por ejemplo, cuando se mide el giro de una partícula en el estado "arriba", la otra partícula, incluso si estuviera muy lejos, inmediatamente (es decir, más rápida que la velocidad de la luz) estaría en el estado opuesto "abajo". Por lo tanto, grandes colecciones de partículas entrelazadas (si existieran en el cerebro) podrían comportarse de manera "orquestada" o coordinada a lo largo de largas distancias.
– En segundo lugar, existen en una superposición de estados antes de cualquier medición. Por ejemplo, un electrón puede estar en dos niveles de energía diferentes o girar hacia arriba y hacia abajo al mismo tiempo. Sin embargo, cuando se mide, estará en un nivel de energía particular o en una dirección de giro particular; decimos que se ha "colapsado" en un estado particular. Cuando utilizamos procesadores clásicos, asignamos un “1” o un “0” específico a un bit. En un procesador cuántico, podríamos asignar "1" al estado de rotación descendente y "0" al estado de rotación de, digamos, un electrón. Sin embargo, hasta que cuentemos el estado, será tanto “1” como “0”, del mismo modo que una moneda que gira no es ni “coronas” ni “caras” cuando se hace girar. Por lo tanto, un bit cuántico o “qubit” puede representar “1” Y “0” al mismo tiempo, a diferencia del “bit” de procesador clásico que solo puede representar “1” O “0” en un momento en el tiempo. El bit es binario y puntual, pero el qubit es "espacial" y "difuso": esto permite procesar mucha más información en paralelo, aprovechando la propiedad de las superposiciones. Un “bit” representa un 1 o un 0 en un momento determinado, mientras que un “qubit” puede representar ambos al mismo tiempo.1
Varias propiedades físicas de las partículas elementales se pueden atribuir a los “1” y los “0”. Por ejemplo, podemos utilizar los estados de giro hacia arriba o hacia abajo del núcleo de un átomo, los diferentes niveles de energía de los electrones en un átomo o incluso la orientación del plano de polarización de partículas de luz o fotones.
Computadoras cuánticas que utilizan átomos de fósforo
En 2013, un equipo de investigación dirigido por ingenieros australianos de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) creó el primer bit cuántico funcional basado en el espín nuclear de un único átomo de fósforo dentro de un lecho protector de átomos de silicio no magnéticos de espín cero. En un artículo innovador publicado en la revista Nature, informaron de una precisión récord en la escritura y lectura de información cuántica utilizando el espín nuclear. 2
Como el núcleo de un átomo de fósforo tiene un campo magnético muy débil y tiene el número de espín más bajo ½ (lo que significa que es menos sensible a los campos eléctricos y magnéticos), es casi inmune al ruido magnético o a las interferencias eléctricas del entorno. Está además “protegido” del ruido por el lecho circundante de átomos de silicio de espín cero. En consecuencia, el espín nuclear tiene un tiempo de coherencia más largo que permite que la información se almacene en él durante un período de tiempo más largo, lo que conduce a un nivel de precisión mucho mayor.
"El núcleo del átomo de fósforo contiene un espín nuclear, que podría actuar como un excelente qubit de almacenamiento de memoria gracias a su muy débil sensibilidad al ruido ambiental".
Andrew Zurak, refiriéndose al trabajo del grupo UNSW, 3
En 2014, otro equipo (esta vez una colaboración holandés-estadounidense) utilizó los espines nucleares de los átomos de fósforo en la computación cuántica para lograr una precisión aún mayor de 99,99% y un tiempo de coherencia más largo, de más de 35 segundos. 4.5
¿Computadoras cuánticas en nuestras cabezas?
Entonces, ¿qué tiene que ver todo esto con nuestro cerebro? Hay numerosos ejemplos en biología cuántica en los que el procesamiento cuántico es sospechoso; por ejemplo, hay evidencia de que las aves utilizan procesos cuánticos en sus retinas para navegar alrededor del mundo y que la fotosíntesis evoluciona de manera más eficiente al lograr estados cuánticos coherentes de larga duración. También se ha observado que el sentido del olfato humano y algunos aspectos de la visión humana requerirían un procesamiento cuántico para que se produjera. Por tanto, no sorprende que debamos buscar procesamiento cuántico en el cerebro humano.
Una de las primeras hipótesis populares fue propuesta por Roger Penrose, el distinguido físico, y Stuart Hammeroff, un anestesiólogo. Plantearon la hipótesis de que el procesamiento cuántico podría tener lugar en los microtúbulos de las neuronas.6 Sin embargo, la mayoría de los científicos se mostraron cautelosos, ya que se consideraba que el cerebro era un entorno cálido, húmedo y ruidoso donde la coherencia cuántica, que suele tener lugar en entornos muy aislados y con temperaturas frías, sería imposible de lograr. Ni Penrose ni Hammeroff dieron una respuesta satisfactoria a esta crítica de su teoría. Sin embargo, recientemente se han producido avances en la extensión de los tiempos de coherencia, y grupos de investigación de todo el mundo se están apresurando a extender los tiempos de coherencia a temperatura ambiente con cierto éxito.7,8 Por lo tanto, aún no se ha decidido sobre la teoría de Penrose-Hammeroff.
Las ideas pioneras de Fisher
Más recientemente, en 2015, Matthew Fisher, físico de la Universidad de California, creó un modelo en el que los espines nucleares de los átomos de fósforo pueden servir como qubits. Este modelo es muy similar al comentado en la sección anterior, ya que se desarrolló en un laboratorio; la diferencia es que esta vez se aplicó al cerebro humano, donde abunda el fósforo9.
"¿Podríamos ser nosotros mismos ordenadores cuánticos y no sólo robots inteligentes que diseñan y construyen ordenadores cuánticos?"
Mateo Fisher, 10 años
Fisher ha argumentado de manera bastante convincente que los espines de los núcleos de los átomos de fósforo pueden estar suficientemente aislados (mediante la nube protectora de electrones que los rodea y el escudo protector de un lecho de átomos de espín cero) y también menos "distraídos" del ruido cuántico debido debido a su débil campo magnético (debido a su bajo número de espín), lo que le permite conservar la coherencia cuántica. (Los estudios de laboratorio comentados en el apartado anterior y los resultados experimentales han verificado y confirmado este hecho). Así, en un entorno como el cerebro, donde abundan los campos eléctricos, los núcleos de los átomos de fósforo se encontrarían en un entorno suficientemente aislado.
El proceso comienza en la célula con un compuesto químico llamado pirofosfato. Consiste en dos fosfatos unidos, cada uno de los cuales consta de un átomo de fósforo rodeado por múltiples átomos de oxígeno de espín cero (una situación similar a la del estudio de laboratorio discutido anteriormente, donde el átomo de fósforo estaba anidado dentro de átomos de silicio de espín cero). La interacción entre los espines de los fosfatos los hace enredarse. Una de las configuraciones resultantes da como resultado un giro cero o un estado de entrelazamiento máximo "singlete". Luego, las enzimas rompen los fosfatos complejados en dos iones de fosfato libres, que permanecen formando complejos a medida que se eliminan. Estos fosfatos complejados luego se combinan por separado con iones de calcio y átomos de oxígeno para convertirse en moléculas de Posner, como se muestra a continuación.
Estos grupos proporcionan un "protección" adicional a los pares entrelazados contra interferencias externas para que puedan mantener la coherencia durante períodos de tiempo mucho más largos en largas distancias en el cerebro. Cuando Fischer calculó el tiempo de coherencia de estas moléculas, obtuvo la increíble suma de 105 segundos: un día entero.12
¿Qué sigue?
Aunque Fisher no parece dar más detalles sobre lo que sucederá a continuación (lo cual es importante si queremos tener una visión general), el autor intentará hacerlo. Los numerosos núcleos entrelazados de átomos de fósforo (dentro de las moléculas de Posner) quedarán dispersos por una gran zona del cerebro. Estarían en un estado elevado, existiendo como olas, durante algún tiempo antes de colapsar. Cuando se produce la descomposición, los electrones del átomo responden. Los electrones determinan las propiedades químicas de los átomos. Por lo tanto, la descomposición hace que cambien las propiedades químicas de los átomos de fósforo, lo que da como resultado una cascada de reacciones químicas que envían una cascada de neurotransmisores a través de las sinapsis de la neurona. A continuación, la secuencia de señales electroquímicas se integra para formar una percepción, que se interpreta en función de las experiencias de vida de la persona.
Esto resuelve una pregunta de larga data en neurociencia que ha preocupado a los científicos: ¿Cómo es capaz el cerebro de integrar información de diferentes partes del cerebro para formar una percepción coherente? Quizás mediante el “mecanismo de Fisher” (un término acuñado recientemente por el autor), la respuesta podría ser un colapso simultáneo de los espines nucleares de los átomos de fósforo entrelazados en diferentes capas y partes del cerebro.
Restricciones
La limitación más obvia es que hasta el momento las ideas de Fischer no han sido probadas exhaustivamente, aunque algunos aspectos (por ejemplo, el mayor tiempo de coherencia de los átomos de fósforo) ya han sido probados en el laboratorio. Sin embargo, hay planes para hacerlo. La primera prueba será si las moléculas de Posner están presentes en los fluidos extracelulares y si podrían enredarse. Fischer propone probar esto en el laboratorio provocando reacciones químicas que entrelazan los espines nucleares del fósforo, luego vertiendo la solución en dos tubos de ensayo y buscando correlaciones cuánticas en la luz emitida12.
Roger Penrose cree que el mecanismo de Fisher sólo puede ayudar a explicar la memoria a largo plazo, pero puede no ser suficiente para explicar la conciencia.12 Él cree que la formulación de Penrose-Hammeroff de los microtúbulos, que según él son más masivos que los núcleos, es una explicación más sólida para esto, aunque la mayoría de los científicos se muestran cautelosos. Sería interesante si se encontraran moléculas de Posner (con partículas entrelazadas) en estos microtúbulos; entonces tanto la hipótesis de Fisher como la de Penrose-Hammeroff serían al menos parcialmente correctas. (¡A todos les gusta un final feliz!)
En pocas palabras
1. Se ha demostrado en el laboratorio que la computación cuántica con átomos de fósforo aislados y protegidos produce resultados extremadamente precisos y tiempos de coherencia más prolongados.
2. El fósforo abunda en el cerebro.
3. El cerebro humano (y quizás el cerebro de otros animales) puede utilizar los espines nucleares de los átomos de fósforo como qubits para realizar cálculos cuánticos.
Reporte
1. Imagen: (28 de septiembre de 2019). ¿Qué hace que la computación cuántica sea especial? Medio.com.
2. Pla, J., Tan, K., Dehollain, J., Lim, W., Morton, J., Zwanenburg, F., Jamieson, D., Dzurak, A. y Morello, A. (2013) . Lectura y control de alta fidelidad de un qubit de espín nuclear en silicio. Naturaleza, 496(7445), 334-338.
3. Dzurak, A. (15 de octubre de 2014). Los Qubits de silicio podrían ser la clave para una revolución cuántica, 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). Almacenar información cuántica durante 30 segundos en un dispositivo nanoelectrónico. Nanotecnología de la naturaleza, 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. y Dzurak, A. (2014). Un qubit de puntos cuánticos direccionable con tolerancia a fallos y fidelidad de control. Nanotecnología de la naturaleza, 9(12), 981-985.
6. Hameroff, S. y Penrose, R. (2014). Conciencia en el universo. Reseñas de Física de la vida, 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 ., y Mizuochi, N. (2019). Tiempos de coherencia ultralargos entre espines de estado sólido a temperatura ambiente. Comunicaciones de la naturaleza, 10 (1), 3766.
8. Miao, K., Blanton, J., Anderson, C., Bourassa, A., Crook, A., Wolfowicz, G., Abe, H., Ohshima, T. y Awschalom, D. (2020) . Conservación universal de la coherencia en un qubit de espín de estado sólido. Ciencia, eabc5186.
9. Fisher, AMP (2015). Cognición cuántica: la capacidad de procesar espines nucleares en el cerebro. Anales de Física, 362, 593-602.
10. Fernandes, S. (27 de marzo de 2018) ¿Somos computadoras cuánticas? La Actualidad (Ciencia + Tecnología).
11. Swift, M., Van de Walle, C. y Fisher, M. (2018). Moléculas de Posner: de la estructura atómica a los espines nucleares. Química Física Física Química, 20(18), 12373-12380.
12. Brooks, M. (15 de diciembre de 2015). ¿Está la física cuántica detrás de la capacidad de pensar de tu cerebro? Científico nuevo.
