Ist dasjenige menschliche Gehirn ein Quantencomputer?

Quantenmagie

Quantencomputer verwenden Quantenprozessoren, die Partikel wie Neutronen, Elektronen und / oder Atome anstelle von integrierten Schaltkreisen und Transistoren wie klassische Prozessoren verwenden. Zwei dieser “verrücktesten und magischsten” Eigenschaften dieser Partikel sind die folgenden:

• Erstens sind sie irgendwie kontinuierlich mit anderen Partikeln “verbunden”, die sich nachdem einer gewissen Wechselwirkung damit verwickeln. Wenn zum Paradigma dieser Spin eines Teilchens im “Gen” -Zustand gemessen wird, befindet sich dasjenige andere Teilchen, wenn auch es sehr weit weit ist, sofort (dh schneller qua die Lichtgeschwindigkeit) im entgegengesetzten “Ab” -Zustand. Große Ansammlungen verwickelter Partikel (solange wie sie im Gehirn vorhanden sind) könnten sich von dort jenseits große Entfernungen “orchestriert” oder koordiniert verhalten.

• Zweitens leben sie vor jeder Messung in einer Interferenz von Zuständen. Zum Paradigma kann sich ein Wasserstoffion in zwei verschiedenen Energieniveaus Ergehen oder sich synchron hinaus und ab kreisen. Wenn sie gemessen werden, Ergehen sie sich jedoch hinaus einem bestimmten Energieniveau oder einer bestimmten Spinrichtung – wir sagen, dass sie zu einem bestimmten Zustand “zusammengebrochen” sind. Für Verwendung klassischer 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 bspw. eines Elektrons “0” zuweisen. Solange bis wir den Zustand messen, ist er jedoch synchron “1” und “0” – so wie eine sich drehende Münze beim Kreisen weder “Kopf” noch “Zahl” ist. Von dort kann ein Qubit oder “Qubit” “1” UND “0” darstellen. im Unterschied zum “Bit” des klassischen Prozessors, dasjenige zu einem bestimmten Zeitpunkt nur “1” ODER “0” darstellen kann. Dasjenige Bit ist binär und punktförmig, immerhin dasjenige Qubit ist “raumartig” und “unscharf”. In Folge dessen können viel mehr Informationen parallel verarbeitet werden, wodurch die Umstand von Überlagerungen genutzt wird. Ein “Bit” repräsentiert zu einem Zeitpunkt entweder eine 1 oder eine 0, während ein “Qubit” zweierlei synchron repräsentieren kann.1

Verschiedene physikalische Eigenschaften von Partikel können mit “1s” und “0s” versehen werden. Zum Paradigma können wir die Spin-up- oder Spin-down-Zustände des Atomkerns, die unterschiedlichen Energieniveaus dieser Elektronen in einem Atom oder sogar die Ausrichtung dieser Polarisationsebene von Lichtteilchen oder Photonen verwenden.

Quantencomputer mit Phosphoratomen

2013 erstellte ein Forschungsteam unter dieser Rohrfernleitung australischer Ingenieure dieser University of New South Wales (UNSW) dasjenige erste funktionierende Qubit, dasjenige hinaus dem Spin des Kerns eines einzelnen Phosphoratoms in einem Schutzbett aus nichtmagnetischen Siliziumatomen mit Null basiert rotieren. In einem bahnbrechenden Beitrag in dieser Zeitschrift Nature berichteten sie jenseits eine rekordhohe Korrektheit beim Schreiben und Vorlesung halten von Quanteninformationen unter Verwendung des Kernspins. 2

Da dieser Stein eines Phosphoratoms ein sehr schwaches Magnetfeld aufweist und die niedrigste Spinzahl von ½ verfügt (welches bedeutet, dass er weniger sachte im Gegensatz zu elektrischen und magnetischen Feldern ist), ist er nahezu unempfänglich gegen magnetisches Rauschen oder elektrische Störungen durch die Umgebung. Es ist ferner durch dasjenige umgebende Koje aus Zero-Spin-Siliziumatomen vor Rauschen “geschützt”. Folglich hat dieser Kernspin eine längere Kohärenzzeit, wodurch Informationen zu Gunsten von eine längere Zeit darin gespeichert werden können, welches zu einer viel höheren Korrektheit führt.

“Dieser Stein des Phosphoratoms enthält verknüpfen Kernspin, dieser aufgrund seiner sehr schwachen Trennschärfe im Gegensatz zu dem in dieser Umgebung vorhandenen Rauschen qua ausgezeichnetes Speicher-Qubit fungieren kann.”
Andrew Zurak, dieser jenseits die Arbeit des UNSW-Teams berichtet, 3

2014 nutzte ein anderes Team (diesmal eine niederländisch-amerikanische Zusammenarbeit) die Kernspins von Phosphoratomen im Quantencomputer, um eine noch höhere Korrektheit von 99,99% und eine längere Kohärenzzeit von jenseits 35 Sekunden zu gelingen. 4,5

Quantencomputer in unseren Köpfen?

Welches hat dasjenige was auch immer mit unserem Gehirn zu tun? Es gibt zahlreiche Beispiele in dieser Quantenbiologie, unter denen dieser Verdächtigung hinaus Quantenverarbeitung besteht. Wie gibt es Hinweise darauf, dass Vögel Quantenprozesse in ihrer Retina nutzen, um jenseits den Globus zu steuern, und dass die Photosynthese effizienter verläuft, während langlebige kohärente Quantenzustände erreicht werden. Es wurde gleichwohl beobachtet, dass dieser menschliche Geruchssinn und z. T. des menschlichen Sehens eine Quantenverarbeitung erfordern würden. Es ist deswegen keine Verwunderung, dass wir nachdem Quantenverarbeitung im menschlichen Gehirn suchen sollten.

Eine dieser ersten populären Hypothesen wurde von Roger Penrose, dem angesehenen Physiker, und Stuart Hammeroff, einem Anästhesisten, vorgeschlagen. Sie spekulierten, dass Quantenverarbeitung in den Mikrotubuli von Neuronen stattfinden könnte.6 Die meisten Wissenschaftler waren jedoch skeptisch, da dasjenige Gehirn qua eine warme, feuchte und verrauschte Umgebung gemocht wurde, in dieser Quantenkohärenz, die normalerweise in extrem isolierten Umgebungen und kalten Temperaturen auftritt, dies tun würde unmöglich zu gelingen sein. Weder Penrose noch Hammeroff nach sich ziehen hinaus sie Kritik an ihrer Theorie zufriedenstellend reagiert. In jüngster Zeit gab es jedoch Durchbrüche unter dieser Verlängerung dieser Kohärenzzeiten, und Forschungsteams hinaus dieser ganzen Welt eilen sich, die Kohärenzzeiten unter Raumtemperatur mit einigem Fortuna zu verlängern.7,8 Die Jury ist deswegen immer noch nicht mit dieser Penrose-Hammeroff-Theorie befasst.

Fischers bahnbrechende Ideen

In jüngerer Zeit, 2015, hat Matthew Fisher, Physiker an dieser University of California, ein Normal entwickelt, unter dem Kernspins in Phosphoratomen qua Qubits fungieren können. Dieses Normal ähnelt dem, welches im vorherigen Fetzen besprochen wurde, da es in einer Laborumgebung entwickelt wurde. Die Ausnahmefall ist, dass es diesmal hinaus dasjenige menschliche Gehirn angewendet wurde, wo es reichlich Phosphor gibt.9

“Könnten wir selbst Quantencomputer sein und nicht nur clevere Roboter, die Quantencomputer entwickeln und konstruieren?”
Matthew Fisher, 10

Fisher hat ziemlich einleuchtend argumentiert, dass Spins dieser Kerne von Phosphoratomen reicht stromlos werden können (durch die schützende Elektronenwolke um sie herum und den Schutzschirm eines Bettes aus Null-Spinatomen) und gleichwohl durch Quantenrauschen weniger “unkonzentriert” werden können sein schwaches Magnetfeld (aufgrund seiner geringen Spinzahl) ermöglicht es ihm, die Quantenkohärenz zu erhalten. (Die im vorherigen Fetzen diskutierten Laborstudien und die experimentellen Ergebnisse nach sich ziehen sie Tatsache bestätigt und bestätigt.) In einer Umgebung wie dem Gehirn, in dieser es viele elektrische Felder gibt, Ergehen sich die Kerne dieser Phosphoratome in einer reicht isolierten Umgebung.

Dieser Prozess beginnt in dieser Zelle mit einer chemischen Zusammenhang namens Pyrophosphat. Es besteht aus zwei miteinander verbundenen Phosphaten, die jeweils aus einem Phosphoratom da sein, dasjenige von mehreren Sauerstoffatomen mit null Spin umgeben ist (eine ähnliche Situation wie in dieser oben diskutierten Laborstudie, in dieser dasjenige Phosphoratom in Siliciumatomen mit null Spin eingebettet war). Die Wechselwirkung zwischen den Spins dieser Phosphate führt dazu, dass sie sich verwickeln. Eine dieser resultierenden Konfigurationen führt zu einem Null-Spin oder einem “Singulett” -Zustand maximaler Verschränkung. Enzyme zertrennen dann die verschränkten Phosphate in zwei freie Phosphationen, die sich weiterhin verwickeln, während sie wegdriften. Sie verschränkten Phosphate verbinden sich dann rechnerunabhängig mit Calciumionen und Sauerstoffatomen, um Posner-Moleküle zu werden, wie unten gezeigt.

Sie Cluster eröffnen den verwickelten Paaren eine zusätzliche “Schutz” vor Störungen von äußerlich, so dass sie jenseits lange Zeit Entfernungen im Gehirn die Kontext jenseits viel längere Zeiträume aufrechterhalten können. Denn Fisher die Kohärenzzeit zu Gunsten von sie Moleküle schätzte, waren es unglaubliche 105 Sekunden – ein ganzer Tag.12

Welches qua nächstes?

Obwohl Fisher nicht im Detail zu kennzeichnen scheint, welches qua nächstes passiert – welches wichtig ist, wenn wir dasjenige Gesamtbild erhalten wollen -, wird dieser Urheber dies versuchen. Die zahlreichen verschränkten Kerne dieser Phosphoratome (intrinsisch dieser Posner-Moleküle) würden sich jenseits verknüpfen weiten Bezirk im Gehirn ausbreiten. Sie würden sich wenige Zeit in einem überlagerten Zustand Ergehen, dieser qua Wellen existiert, im Voraus sie zusammenbrechen. Wenn dieser Kollaps passiert, reagieren die Elektronen im Atom. Elektronen erzwingen die chemischen Eigenschaften von Atomen. Dieser Kollaps bewirkt deswegen, dass sich die chemischen Eigenschaften dieser Phosphoratome ändern, welches zu einer Kaskade chemischer Reaktionen führt, die eine Kaskade von Neurotransmittern in die Synapsen von Neuronen senden. Dieser Zug elektrochemischer Signale integriert sich dann zu einer Wahrnehmung, die hinaus dieser Grundlage dieser Lebenserfahrungen dieser Person interpretiert wird.

Dies löst eine langjährige Frage in den Neurowissenschaften, die Wissenschaftler verwirrt hat: Wie kann dasjenige Gehirn Informationen aus verschiedenen Teilen des Gehirns integrieren, um eine zusammenhängende Wahrnehmung zu zusammenschreiben? Vielleicht könnte mit “Fisher’s System” (ein Terminus, dieser von diesem Urheber kalt geprägt wurde) ein gleichzeitiger Zusammenbruch dieser Kernspins verschränkter Phosphoratome in verschiedenen Schichten und Teilen des Gehirns die Rückmeldung sein.

Einschränkungen

Die offensichtlichste Einschränkung besteht darin, dass die Ideen von Fisher derzeit nicht gründlich getestet wurden, obwohl z. T. (z. B. die längere Kohärenzzeit von Phosphoratomen) schon im Laboratorium getestet wurden. Es gibt jedoch Pläne, dies zu tun. Dieser erste Test wird sein, ob Posner-Moleküle in extrazellulären Flüssigkeiten vorhanden sind und ob sie sich verwickeln könnten. Fisher schlägt vor, dies im Laboratorium zu testen, während chemische Reaktionen induziert werden, um Phosphorkernspins zu verwickeln, die Problemlösung dann in zwei Reagenzgläser gegossen wird und nachdem Quantenkorrelationen im gegebenen Licht gesucht wird.12

Roger Penrose glaubt, dass dieser System von Fisher nur zur Hinweistext des Langzeitgedächtnisses hinzufügen kann, immerhin notfalls nicht ausreicht, um dasjenige Verständnis zu exemplifizieren.12 Er glaubt, dass die Penrose-Hammeroff-Umgangston von Mikrotubuli, die seiner Meinung nachdem massiver qua Kerne ist, eine robustere Hinweistext ist zu diesem Zweck, obwohl die meisten Wissenschaftler skeptisch sind. Es wäre interessant, wenn in diesen Mikrotubuli Posner-Moleküle (mit verschränkten Partikeln) gefunden würden – dann wären sowohl die Fisher- qua gleichwohl die Penrose-Hammeroff-Konzept zumindest teilweise richtig. (Jeder mag ein Happy End!)

In einer Nussschale

1. Im Laboratorium wurde gezeigt, dass Quantencomputer mit isolierten und abgeschirmten Phosphoratomen zu hochgenauen Ergebnissen und längeren Kohärenzzeiten zur Folge haben.

2. Phosphor ist im Gehirn reichlich vorhanden.

3. Dasjenige menschliche Gehirn (und notfalls dasjenige Gehirn anderer Tiere) verwendet notfalls die Kernspins von Phosphoratomen qua Qubits, um Quantencomputer durchzuführen.

Verweis

1. Portrait: Zhang, J. (2019, 28. September). Welches macht Quantum Computing so gerade? Medium.com.

2. Pla, J., Tan, Kalium., Dehollain, J., Lim, Wolfram., Morton, J., Zwanenburg, Fluor., Jamieson, D., Dzurak, A. & Morello, A. (2013) . High-Fidelity-Auslesung und Steuerung eines nuklearen Spin-Qubits in Silizium. Nature, 496 (7445), 334 & ndash; 338.

3. Dzurak, A. (2014, 15. zehnter Monat des Jahres). Silicon Qubits könnten dieser Schlüssel zu einer Quantenrevolution sein, SciTech Daily.

4. Muhonen, J., Dehollain, J., Laucht, A., Hudson, Fluor., Kalra, R., Sekiguchi, T., Itoh, Kalium., Jamieson, D., McCallum, J., Dzurak, A. . & Morello, A. (2014). Speichern von Quanteninformationen zu Gunsten von 30 Sekunden in einem nanoelektronischen Gerät. Nature Nanotechnology, 9 (12), 986 & ndash; 991.

5. M. Veldhorst, J. Hwang, Kohlenstoff. Yang, A. Leenstra, B. de Ronde, J. Dehollain, J. Muhonen, Fluor. Hudson, Kalium. Itoh, Morello, A. & Dzurak, A. (2014). Ein adressierbares Quantenpunkt-Qubit mit fehlertoleranter Steuertreue. Nature Nanotechnology, 9 (12), 981 & ndash; 985.

6. Hameroff, Sulfur. & Penrose, R. (2014). Verständnis im Universum. Physics of Life Reviews, 11 (1), 39-78.

7. Herbschleb, E., Kato, H., Maruyama, Y., Danjo, T., Makino, T., Yamasaki, Sulfur., Ohki, I., Hayashi, Kalium., Morishita, H., Fujiwara, M. Mizuochi, Stickstoffgas. (2019). Ultralange Kohärenzzeiten zwischen Festkörperspins unter Raumtemperatur. Nature Communications, 10 (1), 3766.

8. Kalium. Miao, J. Blanton, Kohlenstoff. Anderson, A. Bourassa, A. Crook, G. Wolfowicz, H. Abe, T. Ohshima & D. Awschalom (2020) . Universeller Kohärenzschutz in einem Festkörper-Spin-Qubit. Science, eabc5186.

9. Fisher, MPA (2015). Quantenkognition: Die Möglichkeit dieser Weiterverarbeitung mit Kernspins im Gehirn. Annals of Physics, 362, 593 & ndash; 602.

10. Fernandes, Sulfur. (2018, 27. März) Sind wir Quantencomputer? Dieser Strom (Wissenschaft + Technologie).

11. Swift, M., Van de Walle, Kohlenstoff. & Fisher, M. (2018). Posner-Moleküle: von dieser Atomstruktur solange bis zu Kernspins. Physical Chemistry Chemical Physics, 20 (18), 12373-12380.

12. Brooks, M. (2015, 15. Monat des Winterbeginns). Steht die Quantenphysik hinter dieser Köpfchen Ihres Gehirns? Neuer Wissenschaftler.

 

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