Tại sao bạn nên quan tâm đến khoa học thần kinh lượng tử

Trong trường hợp bạn chưa nghe, khoa học Lượng tử hiện đang rất hot, với cuộc nói chuyện hào hứng về các máy tính lượng tử mạnh mẽ không thể tưởng tượng, giao tiếp lượng tử siêu hiệu quả và an ninh mạng không thể xuyên thủng thông qua mã hóa lượng tử.

Tại sao tất cả các cường điệu?

Nói một cách đơn giản, khoa học Lượng tử hứa hẹn những bước tiến khổng lồ thay vì những bước nhỏ mà chúng ta đã quen thuộc với khoa học hàng ngày. Ví dụ, khoa học hàng ngày cung cấp cho chúng ta những chiếc máy tính mới tăng gấp đôi sức mạnh sau mỗi 2-3 năm, trong khi khoa học Lượng tử hứa hẹn những chiếc máy tính có nhiều hàng nghìn tỷ lần mạnh hơn cả máy tính cơ bắp nhất hiện nay.

Nói cách khác, khoa học lượng tử, nếu thành công, sẽ tạo ra một cơn địa chấn trong công nghệ sẽ định hình lại thế giới như chúng ta đã biết, theo những cách thậm chí còn sâu sắc hơn so với Internet hay điện thoại thông minh.

Tất cả những khả năng ngoạn mục của khoa học Lượng tử đều xuất phát từ một chân lý đơn giản: các hiện tượng lượng tử hoàn toàn phá vỡ các quy tắc giới hạn những gì các hiện tượng “cổ điển” (bình thường) có thể đạt được.

Hai ví dụ mà khoa học Lượng tử biến điều từng là không thể bỗng nhiên có thể trở thành hiện thực, đó là chồng lượng tử và rối lượng tử.

Trước tiên, hãy giải quyết vấn đề chồng chất lượng tử.

Trong thế giới bình thường, một vật như quả bóng chày chỉ có thể ở một nơi tại một thời điểm. Nhưng trong thế giới lượng tử, một hạt như electron có thể chiếm vô số vị trí đồng thời, tồn tại trong cái mà các nhà vật lý gọi là sự chồng chất của nhiều trạng thái. Vì vậy, trong thế giới lượng tử, một thứ đôi khi hoạt động giống như nhiều thứ khác nhau.

Bây giờ chúng ta hãy kiểm tra sự vướng víu lượng tử bằng cách mở rộng phép tương tự bóng chày thêm một chút nữa. Trong thế giới bình thường, hai quả bóng chày ngồi trong tủ tối ở các sân vận động giải đấu lớn ở Los Angeles và Boston hoàn toàn độc lập với nhau, đến nỗi nếu bạn mở một trong các tủ đựng đồ để xem một quả bóng chày, hoàn toàn không có chuyện gì xảy ra với quả bóng chày kia in a dark storage locker 3,000 miles away. Nhưng trong thế giới lượng tử, hai hạt riêng lẻ, chẳng hạn như photon có thể bị vướng víu, sao cho chỉ hành động cảm nhận một photon bằng máy dò sẽ ngay lập tức buộc photon kia, bất kể ở khoảng cách bao xa, phải giả định một trạng thái cụ thể.

Sự vướng víu như vậy có nghĩa là trong vũ trụ lượng tử, nhiều thực thể riêng biệt đôi khi có thể hoạt động như một thực thể duy nhất, bất kể các thực thể riêng biệt đó cách xa nhau như thế nào.

This would be the equivalent of changing the state of one baseball—say, forcing it to be on the top vs. bottom shelf of a storage locker—simply by opening a storage locker 3,000 miles away and gazing at an entirely khác nhau bóng chày.

Những hành vi “bất khả thi” này làm cho các thực thể lượng tử trở nên lý tưởng để làm điều không thể, chẳng hạn với máy tính. Trong máy tính bình thường, một bit thông tin được lưu trữ có thể là số không hoặc số một, nhưng trong máy tính lượng tử, một bit được lưu trữ, được gọi là Qubit (bit lượng tử), vừa bằng 0 vừa là một. Do đó, trong đó một bộ nhớ đơn giản lưu trữ 8 bit có thể chứa bất kỳ số riêng lẻ nào từ 0 đến 255 (2 ^ 8 = 256) thì bộ nhớ 8 Qubit có thể lưu trữ 2 ^ 8 = 256 số riêng biệt tất cả trong một! Khả năng lưu trữ nhiều thông tin hơn theo cấp số nhân là lý do tại sao máy tính lượng tử hứa hẹn một bước nhảy vọt về sức mạnh xử lý.

Trong ví dụ trên, bộ nhớ 8 bit trong máy tính lượng tử lưu cùng lúc 256 số từ 0 đến 255 trong khi bộ nhớ 8 bit trong máy tính thông thường chỉ lưu 1 số từ 0 đến 255 tại một thời điểm. Bây giờ hãy tưởng tượng một bộ nhớ lượng tử 24 bit (2 ^ 24 = 16,777,216) với số Qubit chỉ gấp 3 lần bộ nhớ đầu tiên của chúng ta: nó có thể lưu trữ một lượng lớn 16,777,216 số khác nhau cùng một lúc!

Điều này đưa chúng ta đến giao điểm của khoa học Lượng tử và sinh học thần kinh. Bộ não con người là một bộ xử lý mạnh mẽ hơn nhiều so với bất kỳ máy tính nào hiện nay: liệu nó có đạt được một số sức mạnh tuyệt vời này bằng cách khai thác sự kỳ lạ lượng tử giống như cách mà máy tính lượng tử làm không?

Cho đến rất gần đây, câu trả lời của các nhà vật lý cho câu hỏi đó là một “Không” vang dội.

Các hiện tượng lượng tử như chồng chất dựa trên việc cô lập những hiện tượng đó khỏi môi trường xung quanh, đặc biệt là nhiệt trong môi trường khiến các hạt chuyển động, làm đảo lộn ngôi nhà lượng tử siêu tinh vi của các thẻ chồng chất và buộc một hạt cụ thể chiếm giữ điểm A hoặc điểm B , nhưng không bao giờ cả hai cùng một lúc.

Do đó, khi các nhà khoa học nghiên cứu các hiện tượng lượng tử, họ đã cố gắng rất nhiều để cô lập vật liệu họ đang nghiên cứu khỏi môi trường xung quanh, thường là bằng cách hạ nhiệt độ trong các thí nghiệm của họ xuống gần như bằng không tuyệt đối.

Nhưng bằng chứng đang xuất hiện từ thế giới sinh lý thực vật rằng một số quá trình sinh học dựa trên sự chồng chất lượng tử xảy ra ở nhiệt độ bình thường, làm tăng khả năng rằng thế giới kỳ lạ không thể tưởng tượng của cơ học lượng tử thực sự có thể xâm nhập vào hoạt động hàng ngày của các hệ thống sinh học khác, chẳng hạn như của chúng ta hệ thần kinh.

Ví dụ, vào tháng 5 năm 2018, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Groningen bao gồm nhà vật lý Thomas la Cour Jansen đã tìm thấy bằng chứng cho thấy thực vật và một số vi khuẩn quang hợp đạt hiệu suất gần 100% khi chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng có thể sử dụng được bằng cách khai thác thực tế rằng sự hấp thụ năng lượng mặt trời khiến một số điện tử trong các phân tử bắt ánh sáng tồn tại đồng thời ở cả trạng thái lượng tử kích thích và không bị kích thích lan truyền trên những khoảng cách tương đối dài bên trong thực vật, cho phép các điện tử kích thích ánh sáng tìm ra con đường hiệu quả nhất từ ​​các phân tử nơi ánh sáng bị bắt đến các phân tử khác nhau nơi có năng lượng sử dụng cho nhà máy được tạo ra.

Tiến hóa, trong nỗ lực không ngừng nhằm tạo ra các dạng sống tiết kiệm năng lượng nhất, dường như đã phớt lờ niềm tin của các nhà vật lý rằng các hiệu ứng lượng tử hữu ích không thể xảy ra trong môi trường ẩm ướt của sinh học.

Việc khám phá ra các hiệu ứng lượng tử trong sinh học thực vật đã làm nảy sinh một lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới gọi là sinh học lượng tử. Trong vài năm qua, các nhà sinh học lượng tử đã phát hiện ra bằng chứng về các đặc tính cơ lượng tử trong nhận thức từ trường trong mắt của một số loài chim (cho phép chim định hướng trong quá trình di cư) và trong việc kích hoạt các thụ thể mùi ở người. Các nhà nghiên cứu thị giác cũng đã phát hiện ra rằng các thụ thể quang trong võng mạc của con người có khả năng tạo ra các tín hiệu điện từ việc thu nhận một lượng tử năng lượng ánh sáng.

Phải chăng sự tiến hóa cũng làm cho bộ não của chúng ta trở nên siêu hiệu quả trong việc tạo ra năng lượng có thể sử dụng được hoặc truyền và lưu trữ thông tin giữa các tế bào thần kinh bằng cách sử dụng các hiệu ứng lượng tử như chồng chất và rối?

Các nhà khoa học thần kinh đang bắt đầu điều tra khả năng này, nhưng tôi đối với một người rất hào hứng với lĩnh vực khoa học thần kinh lượng tử còn non trẻ vì nó có thể dẫn đến những đột phá đáng kinh ngạc trong hiểu biết của chúng ta về não bộ.

Tôi nói điều này bởi vì lịch sử khoa học dạy chúng ta rằng những đột phá lớn nhất hầu như luôn đến từ những ý tưởng mà trước khi một đột phá cụ thể xảy ra, nghe có vẻ vô cùng kỳ lạ. Khám phá của Einstein rằng không gian và thời gian thực sự là cùng một thứ (thuyết tương đối rộng) là một ví dụ, khám phá của Darwin rằng con người tiến hóa từ các dạng sống nguyên thủy hơn, là một ví dụ khác. Và tất nhiên, khám phá của Planck, Einstein và Bohr về cơ học lượng tử ngay từ đầu, lại là một khám phá khác.

Tất cả đều ngụ ý mạnh mẽ rằng những ý tưởng đằng sau trò chơi ngày mai thay đổi những tiến bộ trong khoa học thần kinh, ngày nay đối với hầu hết mọi người dường như là không chính thống và không thể xảy ra.

Bây giờ, chỉ vì sinh học lượng tử trong não nghe có vẻ kỳ lạ và không thể xảy ra không tự động đủ điều kiện để nó trở thành nguồn gốc của bước tiến khổng lồ tiếp theo trong khoa học thần kinh. Nhưng tôi có linh cảm rằng sự hiểu biết sâu sắc hơn về hiệu ứng lượng tử trong các hệ thống sống sẽ mang lại những hiểu biết mới quan trọng về bộ não và hệ thần kinh của chúng ta, nếu không vì lý do nào khác, việc áp dụng quan điểm lượng tử sẽ khiến các nhà khoa học thần kinh tìm kiếm câu trả lời trong những điều kỳ lạ và những nơi tuyệt vời mà họ chưa bao giờ xem xét điều tra trước đây.

Và khi các nhà điều tra xem xét những hiện tượng kỳ lạ và tuyệt vời đó, những hiện tượng đó, có thể, giống như những người anh em họ đang vướng mắc của chúng trong vật lý hạt, hãy nhìn lại chúng!