Warum Sie sich für Quantenneurowissenschaften interessieren sollten

Falls Sie noch nichts gehört haben, ist die Quantenwissenschaft derzeit heiß begehrt. Sie spricht von unvorstellbar leistungsstarken Quantencomputern, hocheffizienter Quantenkommunikation und undurchdringlicher Cybersicherheit durch Quantenverschlüsselung.

Warum all der Hype?

Einfach ausgedrückt, verspricht die Quantenwissenschaft riesige Sprünge nach vorne anstelle der kleinen Schritte, an die wir uns durch die alltägliche Wissenschaft gewöhnt haben. Die alltägliche Wissenschaft zum Beispiel gibt uns neue Computer, deren Leistung sich alle 2-3 Jahre verdoppelt, während die Quantenwissenschaft Computer mit vielen verspricht Billionen Mal Mehr Leistung als der muskulöseste Computer, der heute erhältlich ist.

Mit anderen Worten, wenn die Quantenwissenschaft erfolgreich ist, wird sie einen seismischen technologischen Wandel bewirken, der die Welt, wie wir sie kennen, auf noch tiefgreifendere Weise umgestalten wird als das Internet oder Smartphones.

Die atemberaubenden Möglichkeiten der Quantenwissenschaft ergeben sich alle aus einer einfachen Wahrheit: Quantenphänomene brechen vollständig die Regeln, die die Möglichkeiten „klassischer“ (normaler) Phänomene einschränken.

Zwei Beispiele, bei denen die Quantenwissenschaft das, was früher unmöglich war, plötzlich möglich macht, sind Quantenüberlagerung und Quantenverschränkung.

Lassen Sie uns zuerst die Quantenüberlagerung angehen.

In der normalen Welt kann sich ein Objekt wie ein Baseball immer nur an einem Ort befinden. In der Quantenwelt kann ein Teilchen wie ein Elektron unendlich viele Stellen einnehmen gleichzeitig, existiert in dem, was Physiker eine Überlagerung mehrerer Zustände nennen. In der Quantenwelt verhält sich eine Sache manchmal wie viele verschiedene Dinge.

Lassen Sie uns nun die Quantenverschränkung untersuchen, indem wir die Baseball-Analogie etwas weiter ausdehnen. In der normalen Welt sind zwei Baseballs, die in dunklen Schließfächern in den Stadien der Major League in Los Angeles und Boston sitzen, völlig unabhängig voneinander. Wenn Sie also eines der Schließfächer öffnen, um sich einen Baseball anzusehen, würde dem anderen Baseball absolut nichts passieren in einem dunklen Schließfach 3.000 Meilen entfernt. Aber in der Quantenwelt zwei einzelne Teilchen wie Photonen können verwickelt sein, so dass der bloße Akt des Erfassens eines Photons mit einem Detektor das andere Photon, egal wie weit entfernt, sofort zwingt, einen bestimmten Zustand anzunehmen.

Eine solche Verschränkung bedeutet, dass sich im Quantenuniversum mehrere unterschiedliche Entitäten manchmal als eine einzige Entität verhalten können, unabhängig davon, wie weit die unterschiedlichen Entitäten voneinander entfernt sind.

Dies wäre das Äquivalent dazu, den Zustand eines Baseballs zu ändern - beispielsweise zu erzwingen, dass er sich im oberen oder unteren Regal eines Schließfachs befindet -, indem einfach ein 3.000 Meilen entferntes Schließfach geöffnet und ein vollständig angeschaut wird anders Baseball.

Diese „unmöglichen“ Verhaltensweisen machen Quantenentitäten ideal, um beispielsweise mit Computern das Unmögliche zu tun. In normalen Computern ist ein gespeichertes Informationsbit entweder eine Null oder eine Eins, aber in einem Quantencomputer ist ein gespeichertes Bit, das als Qubit (Quantenbit) bezeichnet wird, gleichzeitig Null und Eins. Wenn also ein einfacher Speicher von 8 Bits eine beliebige einzelne Zahl von 0 bis 255 (2 ^ 8 = 256) enthalten kann, kann ein Speicher von 8 Qubits 2 ^ 8 = 256 speichern separate Nummern alles auf einmal! Die Fähigkeit, exponentiell mehr Informationen zu speichern, ist der Grund, warum Quantencomputer einen Quantensprung in der Verarbeitungsleistung versprechen.

In dem obigen Beispiel speichert ein 8-Bit-Speicher in einem Quantencomputer 256 Zahlen zwischen 0 und 255 auf einmal, während ein 8-Bit-Speicher in einem gewöhnlichen Computer jeweils nur 1 Zahl zwischen 0 und 255 speichert. Stellen Sie sich nun einen 24-Bit-Quantenspeicher (2 ^ 24 = 16.777.216) mit nur dreimal so vielen Qubits vor wie unser erster Speicher: Er könnte satte Speicher speichern 16.777.216 verschiedene Zahlen gleichzeitig!

Das bringt uns an die Schnittstelle von Quantenwissenschaft und Neurobiologie. Das menschliche Gehirn ist ein weitaus leistungsfähigerer Prozessor als jeder heute verfügbare Computer: Erreicht es einen Teil dieser unglaublichen Leistung, indem es die Quantenverrücktheit auf die gleiche Weise nutzt wie Quantencomputer?

Bis vor kurzem war die Antwort der Physiker auf diese Frage ein klares „Nein“.

Quantenphänomene wie die Überlagerung beruhen auf der Isolierung dieser Phänomene von der Umgebung, insbesondere der Wärme in der Umgebung, die Partikel in Bewegung setzt, das hyperempfindliche Quantenhaus der Karten der Überlagerung stört und ein bestimmtes Partikel dazu zwingt, entweder Punkt A oder Punkt B zu besetzen , aber niemals beide gleichzeitig.

Wenn Wissenschaftler Quantenphänomene untersuchen, bemühen sie sich daher sehr, das Material, das sie untersuchen, von der Umgebung zu isolieren, indem sie normalerweise die Temperatur in ihren Experimenten auf nahezu absoluten Nullpunkt senken.

Aus der Welt der Pflanzenphysiologie gibt es jedoch immer mehr Hinweise darauf, dass einige biologische Prozesse, die auf Quantenüberlagerung beruhen, bei normalen Temperaturen ablaufen, was die Möglichkeit erhöht, dass eine unvorstellbar seltsame Welt der Quantenmechanik tatsächlich in die täglichen Abläufe anderer biologischer Systeme wie unseres eindringt Nervensystem.

Beispielsweise fand ein Forscherteam an der Universität Groningen, zu dem auch der Physiker Thomas la Cour Jansen gehörte, im Mai 2018 Hinweise darauf, dass Pflanzen und einige photosynthetische Bakterien einen Wirkungsgrad von nahezu 100% erreichen, indem sie Sonnenlicht in nutzbare Energie umwandeln, indem sie die Tatsache ausnutzen, dass die Absorption von Sonnenenergie einige Elektronen verursacht lichterfassende Moleküle müssen gleichzeitig in angeregten und nicht angeregten Quantenzuständen existieren, die sich über relativ große Entfernungen innerhalb der Pflanze verteilen, sodass die lichtangeregten Elektronen den effizientesten Weg von den Molekülen, in denen Licht eingefangen wird, zu verschiedenen Molekülen finden, in denen Energie verwendet werden kann denn die Anlage wird angelegt.

Die Evolution scheint in ihrem unermüdlichen Bestreben, die energieeffizientesten Lebensformen zu entwickeln, die Überzeugung der Physiker ignoriert zu haben, dass nützliche Quanteneffekte in den warmen, feuchten Umgebungen der Biologie nicht auftreten können.

Die Entdeckung von Quanteneffekten in der Pflanzenbiologie hat zu einem völlig neuen Wissenschaftsgebiet geführt, der Quantenbiologie. In den letzten Jahren haben Quantenbiologen Hinweise auf quantenmechanische Eigenschaften bei der Magnetfeldwahrnehmung in den Augen einiger Vögel (die es den Vögeln ermöglichen, während der Migration zu navigieren) und bei der Aktivierung von Geruchsrezeptoren beim Menschen gefunden. Vision-Forscher haben auch entdeckt, dass Photorezeptoren in der menschlichen Netzhaut in der Lage sind, elektrische Signale aus der Erfassung eines einzelnen Quanten Lichtenergie zu erzeugen.

Hat die Evolution unser Gehirn auch übereffizient gemacht, um nutzbare Energie zu erzeugen oder Informationen zwischen Neuronen mithilfe von Quanteneffekten wie Überlagerung und Verschränkung zu übertragen und zu speichern?

Neurowissenschaftler stehen am Anfang der Untersuchung dieser Möglichkeit, aber ich bin begeistert von dem aufkommenden Feld der Quantenneurowissenschaften, da es zu atemberaubenden Durchbrüchen in unserem Verständnis des Gehirns führen könnte.

Ich sage das, weil die Wissenschaftsgeschichte uns lehrt, dass die größten Durchbrüche fast immer von Ideen ausgehen, die, bevor ein bestimmter Durchbruch eintritt, unglaublich seltsam klingen. Einsteins Entdeckung, dass Raum und Zeit wirklich dasselbe sind (allgemeine Relativitätstheorie), ist ein Beispiel, Darwins Entdeckung, dass sich Menschen aus primitiveren Lebensformen entwickelt haben, ist ein anderes. Und natürlich ist Planck, Einstein und Bohrs Entdeckung der Quantenmechanik in erster Linie eine weitere.

All dies deutet stark darauf hin, dass die Ideen hinter den bahnbrechenden Fortschritten von morgen in den Neurowissenschaften den meisten Menschen heute höchst unorthodox und unwahrscheinlich erscheinen.

Nur weil die Quantenbiologie im Gehirn seltsam und unwahrscheinlich klingt, ist sie nicht automatisch die Quelle des nächsten großen Sprunges in den Neurowissenschaften. Ich habe jedoch die Vermutung, dass ein tieferes Verständnis der Quanteneffekte in lebenden Systemen wichtige neue Erkenntnisse über unser Gehirn und unser Nervensystem liefern wird, wenn auch aus keinem anderen Grund, dass die Übernahme eines Quantengesichtspunkts die Neurowissenschaftler dazu veranlassen wird, nach Antworten in seltsamen und seltsamen Situationen zu suchen wundervolle Orte, an die sie noch nie gedacht hatten.

Und wenn Forscher diese seltsamen und wunderbaren Phänomene untersuchen, könnten diese Phänomene, wie ihre verwickelten Cousins ​​in der Teilchenphysik, auf sie zurückblicken!