Λειτουργεί ο εγκέφαλος ως κβαντικός υπολογιστής;

Posted on 22/11/2015

0


Αν ναι, τότε πρέπει να διαθέτει κβαντικά bit

qubitsΟ θεωρητικός φυσικός Roger Penrose στο βιβλίο του µε τίτλο «The Emperor’s New Mind» (1989), έθετε το ερώτηµα εάν η κλασική φυσική και τα υποκεφάλαιά της – οι βιολογικές επιστήµες, µπορούν να ελπίζουν ότι κάποια µέρα θα δώσουν απάντηση σε ερωτήµατα όπως π.χ. πώς δηµιουργούνται οι ιδέες, η έµπνευση ή η κατανόηση της αλήθειας µιας µαθηµατικής απόδειξης.

Ο Penrose επιχείρησε να δείξει ότι καµία από τις σηµερινές τεχνολογικές προσπάθειες εξοµοίωσης του εγκεφάλου με κλασικό υπολογιστή δεν θα µπορέσει να δηµιουργήσει µηχανές µε πραγµατική συνείδηση.

Βασίζοντας τα επιχειρήματατά του πάνω στη µαθηµατική ιδέα της υπολογιστικής µηχανής Turing, κατέληξε στο συµπέρασµα ότι η συνείδηση είναι µία εκδήλωση της κβαντικής φύσης του εγκεφάλου, ως πηγή της οποίας πρότεινε τα µικροσωληνίδια των εγκεφαλικών νευρώνων. (Επιπλέον ανέπτυξε την ιδέα ότι ακόµα και οι βασικοί νόµοι της φυσικής πρέπει να αναθεωρηθούν και µόνο όταν υπάρξει µια θεωρία κβαντικής βαρύτητας θα µπορέσουν οι φυσικοί και βιολόγοι να καταλάβουν επαρκώς τη λειτουργία του νου ώστε να µπορέσουν να τον µιµηθούν).

Λειτουργεί ο εγκέφαλος ως κβαντικός υπολογιστής;

Στους κβαντικούς υπολογιστές η βασική μονάδα εγγραφής και επεξεργασίας της πληροφορίας είναι ένα κβαντικό σύστημα. Τέτοιο σύστημα είναι για παράδειγμα το άτομο του υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάστασή του: το 0 αντιπροσωπεύεται από την ηλεκτρονιακή κατάσταση με σπιν πάνω και το 1 από την κατάσταση με σπιν κάτω. Οι δυο καταστάσεις συμβολίζονται με |0> και |1>, αντίστοιχα. Όμως ένα κβαντικό σύστημα, εκτός από τις δυο αυτές καταστάσεις, |0> και |1>, μπορεί να βρεθεί και σε οποιοδήποτε γραμμικό συνδυασμό των δυο αυτών καταστάσεων της μορφής:
|ψ> =α |0> + b |1>,  όπου α|2+|b|2=1.
Aυτή είναι και η θεμελιώδης διαφορά των κβαντικών υπολογιστών από τους κλασικούς υπολογιστές. Ενώ στους κοινούς υπολογιστές η βασική μονάδα μνήμης μπορεί να παίρνει μόνο τις τιμές 0 και 1, στους κβαντικούς υπολογιστές μπορεί να βρίσκεται σε κάθε δυνατή επαλληλία τους.

Στην περίπτωση του κβαντικού υπολογιστή το bit (το ελάχιστο κομμάτι μνήμης) ως φυσικό αντικείμενο είναι ένα κβαντικό σύστημα και ονομάζεται quantum bit ή qubit. (Διαβάστε μια στοιχειώδη εισαγωγή στους κβαντικούς υπολογιστές ΕΔΩ)

Για να δουλέψει ένας κβαντικός υπολογιστής θα πρέπει να μπορεί να διατηρεί τη συμφωνία φάσης στις καταστάσεις επαλληλίας των qubit, τουλάχιστον για τόσο χρονικό διάστημα όσο διαρκεί ο υπολογισμός. Όμως  ο χρόνος που μπορεί οποιοδήποτε αντικείμενο να βρίσκεται σε κατάσταση επαλληλίας είναι αντιστρόφως ανάλογος με τη μάζα του αντικειμένου και τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκεται.

Αυτή η αποσυμφώνηση (decoherence) λόγω σύμπλεξης με το περιβάλλον είναι και η αχίλλειος πτέρνα του κβαντικού υπολογιστή. Γι αυτό οι προσπάθειες κατασκευής κβαντικών υπολογιστών έχουν επικεντρωθεί σε ατοµικά συστήµατα χαµηλής θερµοκρασίας.

Εκτός από τους επιστήμονες που προσπαθούν να λύσουν αυτά τα προβλήματα των κβαντικών υπολογιστών, κάποιοι άλλοι προσπαθούν να αποδείξουν ότι τα κβαντικά bit και κβαντικοί υπολογιστές υπάρχουν ήδη στην φύση και λειτουργούν σε θερµοκρασία δωµατίου.

Για παράδειγμα, η ηλεκτρική διπολική της πρωτείνης τουµπουλίνης των μικροσωληνίσκων, στις συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό ενός ζωντανού κυττάρου, µπορεί να βρίσκεται σε επαλληλία δύο καταστάσεων και προτάθηκε για τον ρόλο του qubit. (βλέπε π.χ. «Θεωρία και Πειράματα στον Κβαντικό Νου», Ανδρέας Μέρσιν και ∆ηµήτρης Β. Νανόπουλος )

O Matthew P. A. Fisher σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε πριν από μερικούς μήνες [Quantum Cognition: The possibility of processing with nuclear spins in the brain] υποστηρίζει ότι ο μόνος πιθανός φορέας (αποθήκευση) της κβαντικής πληροφορίας στον εγκέφαλο είναι το πυρηνικό σπιν των ιόντων του φώσφορου-31.

Για να μπορεί να παίξει ρόλο η κβαντική πληροφορία στη λειτουργία του εγκεφάλου πρέπει να υπάρχουν τρόποι ώστε:

  1. η κβαντική πληροφορία να αποθηκεύεται για μεγάλο χρονικό διάστημα
  2. η κβαντική πληροφορία να μεταφέρεται
  3. να δημιουργείται κβαντική σύμπλεξη
  4. η σύμπλεξη να επηρεάζει την λειτουργία των νευρώνων

Το σπιν των πυρήνων του φώσφορου-31 σύμφωνα με τον Fisher θα μπορούσε να ικανοποιήσει τις παραπάνω απαιτήσεις. Και τούτο διότι αυτοί οι πυρήνες έχουν σπιν 1/2, δεν έχουν ηλεκτρικές τετραπολικές ροπές και επομένως μπορεί να διατηρεί τη συμφωνία φάσης στις καταστάσεις επαλληλίας των qubit για μεγάλο χρονικό διάστημα – της τάξης του 1 δευτερολέπτου.  Αυτό μπορεί να μην είναι αρκετά μεγάλο, μπορεί όμως να φτάσει τις εβδομάδες ή και περισσότερο αν τα φωσφορικά ιόντα συνδεθούν με τα ιόντα ασβεστίου, ως Ca9(PO4)6 (Posner clusters), που το καθένα περιέχει 6 πυρήνες P-31.

Στο σύμπλεγμα Ca9(PO4)6 τα νευρικά qubits από φωσφόρο «προστατεύονται» για ικανό χρονικό διάστημα ώστε να μπορούν να παίξουν το ρόλο της κβαντικής μνήμης.

Να λοιπόν κι άλλος υποψήφιος για τα κβαντικά bit του εγκεφάλου, αν βέβαια αυτός λειτουργεί ως κβαντικός υπολογιστής …

Διαβάστε περισσότερα στο άρθρο του Preskill (και τα σχόλια)
«Wouldn’t you like to know what’s going on in my mind?«