מחשבים קוונטיים משתמשים במעבדים קוונטיים המשתמשים בחלקיקים אלמנטריים כגון נויטרונים, אלקטרונים ו/או אטומים במקום מעגלים משולבים וטרנזיסטורים כמו מעבדים רגילים. שתיים מהתכונות ה"משוגעות והקסומות" ביותר של החלקיקים הללו הן:
- ראשית, הם איכשהו כל הזמן "מחוברים" לחלקיקים אחרים שמסתבכים איתו לאחר אינטראקציה כלשהי. לדוגמה, כאשר ספין של חלקיק אחד נמדד במצב "למעלה", החלקיק השני, גם אם היה רחוק מאוד, יהיה מיד (כלומר מהיר יותר ממהירות האור) במצב "למטה" ההפוך. אוספים גדולים של חלקיקים מורכבים (אם קיימים במוח) יכולים אפוא להתנהג בצורה "מתוזמרת" או מתואמת למרחקים ארוכים.
- שנית, יש בסופרפוזיציה של מצבים לפני כל מדידה. לדוגמה, אלקטרון יכול להיות בשתי רמות אנרגיה שונות או להסתובב למעלה ולמטה בו זמנית. אולם כאשר נמדד, הוא יהיה ברמת אנרגיה מסוימת או בכיוון ספין מסוים – אנו אומרים שהוא "קרס" במצב מסוים. בעת שימוש במעבדים קלאסיים, אנו מקצים "1" או "0" ספציפיים ל-bit. במעבד קוונטי, נוכל להקצות "1" למצב הספין-down ו-"0" למצב הספין-אפ של, למשל, אלקטרון. עם זאת, עד שנמדוד את המצב, הוא יהיה "1" ו-"0" בו-זמנית - כשם שמטבע שמסתובב אינו "כתר" ולא "אותיות" כשהוא מסתובב. לכן, סיביות קוונטיות או "קווביט" יכולות לייצג "1" ו-"0" בו-זמנית, בניגוד ל"ביט" של מעבד סטנדרטי שיכול לייצג רק "1" Ή "0" תוך רגע בזמן. . הביט הוא בינארי ונקודתי, אבל הקיוביט הוא "מרחבי" ו"מטושטש" - זה מאפשר לעבד הרבה יותר מידע במקביל, תוך ניצול תכונת הסופרפוזיציה. "ביט" מייצג 1 או 0 בנקודת זמן, בעוד ש"קיוביט" יכול לייצג את שניהם בו-זמנית.1
ניתן לייחס תכונות פיזיקליות שונות של חלקיקים אלמנטריים ל-"1" ו-"0". לדוגמה, אנו יכולים להשתמש במצבי ספין-אפ או ספין-מטה של גרעין האטום, ברמות האנרגיה השונות של אלקטרונים באטום, או אפילו בכיוון רמת הקיטוב של חלקיקי אור או פוטונים.
מחשבים קוונטיים המשתמשים באטומי זרחן
בשנת 2013, צוות מחקר בראשות מהנדסים אוסטרלים מאוניברסיטת ניו סאות' ויילס (UNSW) יצר את הסיבית הקוונטית הפונקציונלית הראשונה המבוססת על ספין גרעין זרחן חד-אטום בתוך מיטת אטום סיליקון לא-מגנטי בסיבוב אפס. בפרסום פורץ דרך בכתב העת Nature, הם דיווחו על דיוק שיא בהקלטה וקריאה של מידע קוונטי באמצעות ספין גרעיני. 2
מכיוון שלגרעין של אטום זרחני יש שדה מגנטי חלש מאוד ויש לו את המספר הנמוך ביותר של ספינים που (כלומר שהוא פחות רגיש לשדות חשמליים ומגנטיים), הוא כמעט בלתי פגיע לרעש מגנטי או הפרעות חשמליות מהסביבה. הוא "מוגן" עוד יותר על ידי הרעש מהמיטה שמסביב של אטומי סיליקון עם אפס ספין. כתוצאה מכך, לספין הגרעיני יש זמן קוהרנטיות ארוך יותר המאפשר לאגור מידע עליו לפרק זמן ארוך יותר, מה שמוביל לרמת דיוק גבוהה בהרבה.
"גרעין אטום הזרחן מכיל ספין גרעיני, שיכול לשמש כקיוביט מצוין לאחסון זיכרון הודות לרגישות החלשה מאוד שלו לרעש הסביבה."
אנדרו זורק, בהתייחס לעבודת צוות UNSW, 3
בשנת 2014, צוות אחר (הפעם בשיתוף פעולה בין הולנד לארה"ב) השתמש בספינים גרעיניים של אטומי זרחן במחשוב קוונטי כדי להשיג דיוק גדול עוד יותר של 99.99% וזמן קוהרנטיות ארוך יותר של למעלה מ-35 שניות. 4.5
מחשבים קוונטיים בראש שלנו?
אז מה כל זה קשור למוח שלנו? ישנן דוגמאות רבות בביולוגיה קוונטית שבהן עיבוד קוונטי הוא חשוד - למשל, יש עדויות לכך שציפורים משתמשות בתהליכים קוונטיים ברשתית שלהן כדי לנווט את הגלובוס ושהפוטוסינתזה מתפתחת בצורה יעילה יותר עם עקביות ארוכת טווח. כמו כן, נצפה שחוש הריח האנושי והיבטים מסוימים של הראייה האנושית ידרשו עיבוד קוונטי כדי להתרחש. לפיכך, אין זה מפתיע שאנו צריכים לחפש עיבוד קוונטי במוח האנושי.
אחת ההשערות הפופולריות הראשונות הוצעה על ידי רוג'ר פנרוז, פיזיקאי מובהק, וסטיוארט המרוף, רופא מרדים. הם שיערו שעיבוד קוונטי יכול להתרחש במיקרו-צינוריות של נוירונים.6 עם זאת, רוב המדענים היו סקפטיים, שכן המוח נחשב לסביבה חמה, לחה ורועשת, שבה קוהרנטיות קוונטית, המתרחשת בדרך כלל בסביבות מבודדות ביותר. טמפרטורות קרות, זה יהיה בלתי אפשרי להשיג. לא פנרוז ולא המרוף הגיבו בצורה משביעת רצון לביקורת זו על התיאוריה שלהם. עם זאת, היו תגליות לאחרונה בהארכת זמני הלכידות, וצוותי מחקר ברחבי העולם ממהרים להאריך את זמני הלכידות לטמפרטורת החדר בהצלחה מסוימת.7,8 לפיכך, מושבעים עדיין לא פסקו על תיאוריית פנרוז-האמרוף.
הרעיונות החלוציים של פישר
לאחרונה, בשנת 2015, מתיו פישר, פיזיקאי מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, פיתח מודל שבו ספינים גרעיניים באטומי זרחן יכולים לשמש קיוביטים. מודל זה דומה מאוד למה שנדון בסעיף הקודם, שכן הוא פותח בסביבת מעבדה - ההבדל הוא שהפעם הוא יושם על המוח האנושי, שבו זרחן מצוי בשפע9.
"האם אנחנו בעצמנו יכולים להיות מחשבים קוונטיים ולא רק רובוטים חכמים שמתכננים ובונים מחשבים קוונטיים?"
מתיו פישר, בן 10
פישר טען בצורה משכנעת למדי שניתן לבודד מספיק את הספינים של גרעיני אטומי זרחן (מענן האלקטרונים שמסביבו והמגן המגן של מיטת אטום אפס ספין) וגם להיות פחות מוסחת על ידי רעש קוונטי עקב שדה מגנטי חלש ( בשל מספר הספין הנמוך שלו), ובכך מאפשר לו לשמור על קוהרנטיות קוונטית. (מחקרי המעבדה שנדונו בסעיף הקודם ותוצאות הניסוי אימתו ואיששו עובדה זו). לפיכך, בסביבה כמו המוח, שבה יש הרבה שדות חשמליים, גרעיני אטומי הזרחן יהיו בסביבה מבודדת מספיק.
התהליך מתחיל בתא עם חומר כימי בשם פירופוספט. הוא מורכב משני פוספטים הקשורים זה לזה - כל אחד מהם מורכב מאטום זרחן מוקף במספר אטומי חמצן עם אפס ספין (מצב דומה לזה של מחקר המעבדה שנדון לעיל, שבו אטום הזרחן היה מקונן באטומי סיליקון עם אפס σπιν). האינטראקציה בין הספינים של הפוספטים הופכת אותם למסובכים. אחת התצורות המתקבלות גורמת לאפס ספין או למצב "יחיד" של הפרעה מקסימלית. לאחר מכן האנזימים מפרקים את הפוספטים המסובכים לשני יוני פוספט חופשיים, שממשיכים להסתבך עם הסרתם. הפוספטים המורכבים הללו משולבים בנפרד עם יוני סידן ואטומי חמצן ליצירת מולקולות פוזנר, כפי שמוצג להלן.
אשכולות אלו מספקים "מגן" נוסף לזוגות הסבוכים מפני הפרעות חיצוניות, כך שהם יכולים לשמור על קוהרנטיות למרחקים ארוכים בהרבה על פני מרחקים ארוכים במוח. כאשר פישר חישב את זמן הקוהרנטיות עבור מולקולות אלה, התוצאה הסכום המדהים של 105 שניות - יום שלם.12
מה הלאה?
למרות שפישר לא מפרט בפירוט מה יקרה אחר כך - מה שחשוב אם ברצוננו לקבל את התמונה הגדולה - ינסה המחבר לעשות זאת. גרעינים מורכבים רבים של אטומי זרחן (בתוך מולקולות פוזנר) יתפזרו על פני שטח גדול של המוח. הם יהיו במצב על טבעי, קיימים כגלים, במשך זמן מה לפני קריסתם. כאשר הקריסה מתרחשת, האלקטרונים של האטום מגיבים. האלקטרונים קובעים את התכונות הכימיות של אטומים. לפיכך, הקריסה גורמת לשינוי בתכונות הכימיות של אטומי הזרחן, וכתוצאה מכך למפל של תגובות כימיות השולחות מפל של נוירוטרנסמיטורים לסינפסות של נוירונים. לאחר מכן משולבים רצף האותות האלקטרוכימיים ליצירת תפיסה, המתפרשת על סמך חוויות החיים של הפרט.
זה פותר שאלה ארוכת שנים של מדעי המוח שהעסיקה מדענים: כיצד המוח מסוגל לשלב מידע מחלקים שונים של המוח כדי ליצור תפיסה קוהרנטית? אולי עם "מנגנון פישר" (מונח שהוטבע לאחרונה על ידי המחבר), קריסה בו-זמנית של הספינים הגרעיניים של אטומי זרחן המסובכים בשכבות ובחלקים שונים של המוח יכולה להיות התשובה.
הגבלות
המגבלה הברורה ביותר היא שרעיונותיו של פישר עדיין לא נבדקו ביסודיות, אם כי כמה היבטים (למשל, זמן הלכידות הארוך יותר של אטומי זרחן) כבר נבדקו במעבדה. עם זאת, יש תוכניות לעשות זאת. הבדיקה הראשונה תהיה אם יש מולקולות פוזנר בנוזלים תאיים והאם הן עלולות להיות מסובכות. פישר מציע לבדוק זאת במעבדה על ידי גרימת תגובות כימיות כדי לסבך את הספין הגרעיני של זרחן, ואז לשפוך את התמיסה לשתי מבחנות ולחפש מתאמים קוונטיים באור הנפלט12.
רוג'ר פנרוז מאמין שהמנגנון של פישר יכול רק לעזור להסביר את הזיכרון לטווח ארוך, אבל אולי לא מספיק כדי להסביר את התודעה.12 הוא מאמין שהניסוח של פנרוז-האמרוף למיקרו-צינוריות, שלדבריו הוא מסיבי יותר מגרעינים, הוא הסבר חזק יותר. על כך, למרות שרוב המדענים סקפטיים. יהיה מעניין אם ניתן יהיה למצוא מולקולות של פוזנר (עם חלקיקים מורכבים) במיקרוטובולים הללו - אז גם ההשערה של פישר וגם השערת פנרוז-האמרוף יהיו נכונות לפחות חלקית. (כולם אוהבים סוף טוב!)
בכמה מילים
1. הוכח במעבדה שמחשוב קוונטי עם אטומי זרחן מבודדים ומסוככים מוביל לתוצאות מדויקות ביותר וזמני עקביות ארוכים יותר.
2. זרחן מצוי בשפע במוח.
3. המוח האנושי (ואולי המוח של חיות אחרות) יכול להשתמש בספינים הגרעיניים של אטומי זרחן כקיוביטים כדי לבצע חישובים קוונטיים.
להגיש תלונה
1. תמונה: (2019, 28 בספטמבר). מה מייחד את המחשוב הקוונטי? Medium.com.
2. Pla, J., Tan, K., Dehollain, J., Lim, W., Morton, J., Zwanenburg, F., Jamieson, D., Dzurak, A., & Morello, A. (2013) . קריאה ושליטה בנאמנות גבוהה של קוביט ספין גרעיני בסיליקון. טבע, 496 (7445), 334-338.
3. Dzurak, A. (2014, 15 באוקטובר). סיליקון קוויביטים יכולים להיות המפתח למהפכה קוונטית, 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). אחסן מידע קוונטי למשך 30 שניות במכשיר ננו-אלקטרוני. טבע ננוטכנולוגיה, 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). קיוביט נקודות קוונטיות שניתן להתייחסות אליו עם סובלנות תקלות ונאמנות בקרה. טבע ננוטכנולוגיה, 9 (12), 981-985.
6. Hameroff, S., & Penrose, R. (2014). תודעה ביקום. 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). זמני קוהרנטיות ארוכים במיוחד בין ספינים במצב מוצק בטמפרטורת החדר. תקשורת טבע, י (1), תשס"ו.
8. Miao, K., Blanton, J., Anderson, C., Bourassa, A., Crook, A., Wolfowicz, G., Abe, H., Ohshima, T., & Awschalom, D. (2020) . הגנת לכידות אוניברסלית בספין קיוביט במצב מוצק. מדע, eabc5186.
9. פישר, MPA (2015). קוגניציה קוונטית: היכולת לעבד ספינים גרעיניים במוח. Annals of Physics, 362, 593-602.
10. Fernandes, S. (2018, 27 במרץ) האם אנחנו מחשבים קוונטיים? הזרם (מדע + טכנולוגיה).
11. Swift, M., Van de Walle, C., & Fisher, M. (2018). מולקולות פוזנר: ממבנה אטומי ועד ספינים גרעיניים. פיזיקלי כימיה כימית פיזיקה, 20 (18), 12373-12380.
12. ברוקס, מ' (2015, 15 בדצמבר). האם פיזיקת הקוונטים עומדת מאחורי היכולת של המוח שלך לחשוב? מדען חדש.
