Мозг - квантовый компьютер. Как профессор Фишер после депрессии нашел уникальную молекулу
Давно выдвинута гипотеза, согласно которой наш мозг представляет собой не что иное, как биохимический квантовый компьютер. В основе этой идеи лежит предположение о том, что сознание необъяснимо в рамках классической физики и требует для своего постижения учета квантовых эффектов, тех самых, которые лежат в основе концепции квантовых вычислений. Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) решили путем серии экспериментов выяснить, действительно ли наши мозги являются квантовыми компьютерами.
Часто проводят параллель между мозгом и обычным компьютером. На первый взгляд, компьютер и мозг работают одинаково - оба обрабатывают информацию, могут ее сохранять, принимают решения, а также имеют дело с интерфейсами ввода и вывода. В случае мозга этими интерфейсами выступают наши органы чувств, а также органы речи и пальцы, с помощью которых мы общаемся, устно и письменно, с другими людьми и с компьютерами.
Отсюда и идея об искусственном интеллекте (ИИ), который, дескать, вот-вот догонит, а затем и обгонит человеческий. В некоторых сферах уже далеко обогнал: в вычислениях, игре в шахматы, а два года назад - и в игре в го. Если человек - это всего лишь отсталая версия компьютера, то со временем ИИ поработит человечество. Так прогнозирует, например, Илон Маск.
Однако аналогия между мозгом и обычным компьютером обманчива. В отличие от компьютера, всего лишь выполняющего шаг за шагом предписанные ему алгоритмы, мозг способен к мгновенным интуитивным прозрениям. И вместо перебора мириад вариантов мозг склонен принимать спонтанные решения, что нередко спасало человеку жизнь в экстремальных ситуациях (но нередко и губило).
Эти соображения подталкивают искать объяснение феномена сознания в загадочном мире квантовых объектов. Довольно много приверженцев имеет идея о том, что многообразные процессы работы нашего мозга, непостижимые с точки зрения классической физики, можно объяснить с позиций квантовой механики, прибегнув к таким понятиям, как суперпозиция состояний и квантовая запутанность.
Разумеется, с этой идеей согласны не все. Вот ученые из UCSB и взялись проверить ее опытным путем. "Если предположение о квантовых процессах, происходящих в мозге, найдет подтверждение, то это приведет к настоящей революции в нашем понимании и лечении мозговых функций и когнитивных способностей человека", - говорит Мэтью Хельгесон, один из ведущих участников команды UCSB, занимающейся данным исследованием.
Успех этого проекта будет означать, что мышление людей и вообще психика живых существ основываются на тех же квантовых эффектах, которые используются при разработке квантовых компьютеров. В мире квантовых вычислений все подчиняется квантовой механике. Она адекватно описывает поведение и взаимодействие мельчайших объектов типа молекул, атомов, элементарных частиц, а также ряд вполне макроскопических эффектов, таких как сверхтекучесть и сверхпроводимость, которые проявляются не только на микроуровне, но и в привычных для нас масштабах.
Одной из ключевых особенностей квантовых вычислений является использование в качестве носителя информации так называемых кубитов (квантовых битов), а не обычных битов, которыми оперируют обычные компьютеры. Бит представляет собой минимальную единицу информации - выбор между двумя альтернативами: "включено" или "выключено", "единица" или "ноль". В отличие от битов, кубиты могут одновременно приобретать значения и "нуля", и "единицы", то есть находиться в так называемой суперпозиции состояний. А когда есть несколько кубитов, то их состояния могут запутываться. Благодаря этому два кубита по информационной емкости эквивалентны двум обычным битам, три кубита - четырем битам, четыре кубита - восьми битам, пять кубитов - 16 битам и т.д. Если продолжить эту последовательность, то окажется, что всего лишь 80 запутанных друг с другом кубитов могут содержать количество битов информации, сравнимое с числом атомов во всей видимой Вселенной.
Как видим, квантовые компьютеры обещают просто невероятный потенциал в компьютерных вычислениях, который позволит справляться с задачами (в том числе и в науке), на которые не способны даже самые мощные обычные компьютеры. И если уж сравнивать с чем-то человеческий мозг, то именно с квантовыми компьютерами.
Что же касается исследования ученых из UCSB, то оно будет направлено на поиск "мозговых" кубитов. Одной из основных особенностей тех кубитов, которые используются в квантовых компьютерах, является то, что для их работы требуется среда с очень низкой температурой, приближающейся к абсолютному нулю. При более высоких температурах моментально происходит декогеренция, разрушающая квантовую запутанность. Однако исследователи надеются доказать, что это правило не является обязательным для кубитов, которые могут находиться в человеческом организме.
В рамках одного из грядущих экспериментов ученые постараются выяснить, могут ли роль кубитов играть атомные ядра. Как предполагает научный руководитель проекта, профессор физики UCSB Мэтью Фишер, ядра некоторых атомов в составе некоторых молекул способны хранить квантовую информацию в течение часов или даже большего времени. В частности, объектом исследования станут атомы фосфора, которые, по мнению ученых, могут оказаться биохимическими кубитами. В организме человека фосфор - один из важнейших элементов, на его долю приходится около 1% веса нашего тела. Правда, основная часть его (до 85%) сосредоточена в костной ткани и зубах, но он встречается в клетках организма практически повсеместно, в т.ч. во всех клетках нервной системы и головного мозга.
В рамках другого эксперимента ученые хотят изучить потенциал декогеренции, разрушающей связи между кубитами. Чтобы наш мозг мог работать в качестве квантового компьютера, в нем должна иметься система, которая позволяла бы защищать наши биологические кубиты от этой декогеренции.
Задачей еще одного эксперимента станет исследование митохондрий - клеточных органелл, отвечающих за метаболизм и передачу энергии внутри организма. Ученые предполагают, что эти органеллы могут играть существенную роль в квантовой запутанности. В 2015 г. американские биохимики доказали, что нарушения в митохондриях нейронов (клеток головного мозга) затрудняют высвобождение нейронами нейромедиаторов - активных химических веществ, посредством которых осуществляется межклеточная коммуникация. Нейромедиаторы и синаптические связи между нейронами, возможно, создают в нашем мозге квантовые сети. Профессор Фишер и его команда хотят это проверить, попытавшись воспроизвести такую систему в лабораторных условиях.
Процессы квантовых вычислений, если они действительно присутствуют в нашем мозге, помогут нам объяснить и понять самые загадочные его функции, например, его способность переводить память из кратковременной в долговременную. Также можно будет приблизиться к пониманию того, откуда же на самом деле берутся наши сознание, понимание и эмоции.
Все это - очень высокий уровень, очень сложная физика, наряду с биохимией. Поэтому здесь никто не будет гарантировать, что мы сможем получить все ответы на поставленные вопросы. Но даже если окажется, что мы пока еще не способны точно выяснить, является ли наш мозг квантовым компьютером, запланированные исследования могут внести большой вклад в понимание того, как работает самый сложный орган человека.
Что уже нашел Мэтью Фишер
Мэтью Фишер, физик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, после успешного лечения депрессии в конце 1980-х заинтересовался нейробиологическими механизмами работы антидепрессантов и размышлял о возможности квантовых процессов в головном мозге. В результате многолетних поисков хранилища квантовой информации в мозге Фишер определил на эту роль атомы фосфора.
В ноябре 2015 г. журнал Annals of Physics опубликовал статью Фишера, в которой автор выдвинул гипотезу о том, что ядра (точнее, ядерные спины, т.е. собственные моменты вращения ядер) атомов фосфора могут служить в головном мозге чем-то вроде кубитов (квантовых битов), а значит, мозг может функционировать по принципу квантового компьютера. В статье Фишер также привел аргументы в пользу своей гипотезы. Он заявил, что идентифицировал уникальную молекулу (она состоит из шести атомов фосфора, девяти атомов кальция и 24 атомов кислорода), сохраняющую "мозговые" кубиты в течение достаточно длительного времени.
Работа Фишера вызвала разные отклики, в т.ч. и благожелательные. Директор Института квантовой информации и материи Калифорнийского технологического института Джон Прескилл подробно описал результаты Фишера своим студентам в специальной статье, которую завершил словами: "Если вы молодой и амбициозный ученый, вы можете оказаться перед дилеммой: следует заниматься квантовой физикой или же нейронаукой? Возможно, правильный ответ: обеими".
