الدماغ البشري حاسوب
تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية معالجات كمومية تستخدم الجسيمات الأولية مثل النيوترونات والإلكترونات و / أو الذرات بدلاً من الدوائر المتكاملة والترانزستورات مثل المعالجات الكلاسيكية. تشتمل اثنتان من أكثر الخصائص “الجنونية والسحرية” التي تمتلكها هذه الجسيمات على ما يلي:
• أولاً ، إنها “متصلة” بشكل مستمر إلى حد ما بجزيئات أخرى متشابكة معها بعد تفاعل ما. على سبيل المثال ، عندما يتم قياس دوران أحد الجسيمات في الحالة “لأعلى” ، فإن الجسيم الآخر ، حتى لو كان بعيدًا جدًا ، سيكون على الفور (أي أسرع من سرعة الضوء) في حالة “لأسفل” معاكسة. يمكن أن تتصرف مجموعات كبيرة من الجسيمات المتشابكة (إذا كانت موجودة في الدماغ) بطريقة “منسقة” أو منسقة عبر مسافات طويلة.
محددة “1” أو “0”
• ثانيًا ، توجد في تراكب حالات قبل أي قياس. على سبيل المثال ، قد يكون الإلكترون في مستويين مختلفين من الطاقة أو يدور لأعلى ولأسفل في نفس الوقت. ومع ذلك ، عند قياسها ، ستكون عند مستوى طاقة معين أو اتجاه دوران معين – نقول إنها “انهارت” إلى حالة معينة. عند استخدام المعالجات الكلاسيكية ، نخصص قيمة محددة “1” أو “0” إلى حد ما. في المعالج الكمي ، يمكننا تخصيص “1” لحالة الدوران لأسفل و “0” لحالة الدوران لأعلى للإلكترون على سبيل المثال. ومع ذلك ، حتى نقيس الحالة ، ستكون “1” و “0” في نفس الوقت – تمامًا كما أن عملة الغزل ليست “رؤوس” ولا “ذيول” عندما تدور.
وبالتالي ، يمكن أن يمثل بت كمي واحد أو “كيوبت” “1” و “0” في نفس الوقت ، على عكس “بت” المعالج الكلاسيكي الذي يمكن أن يمثل فقط “1” أو “0” في وقت معين. البتة ثنائية وتشبه النقطة لكن الكيوبت هي “تشبه الفضاء” و “غامض” ؛ هذا يسمح بمعالجة المزيد من المعلومات بشكل متوازٍ ، والاستفادة من خاصية التراكب. تمثل “بت” إما 1 أو 0 في وقت ما ، بينما “كيوبت” يمكن أن تمثل كليهما في وقت واحد.
يمكن تعيين السمات الفيزيائية المختلفة للجسيمات الأولية بـ “1s” و “0s”. على سبيل المثال ، يمكننا استخدام حالات الدوران أو التدوير للأسفل لنواة الذرة ، أو مستويات الطاقة المختلفة للإلكترونات في الذرة ، أو حتى اتجاه مستوى استقطاب جسيمات الضوء أو الفوتونات.
الحوسبة الكمومية باستخدام ذرات الفوسفور
في عام 2013 ، قام فريق بحثي بقيادة مهندسين أستراليين من جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) بإنشاء أول بتة كمومية تعمل على أساس دوران نواة ذرة فوسفور واحدة داخل طبقة واقية من ذرات السيليكون غير المغناطيسية مع صفر. غزل. في ورقة بحثية رائدة في مجلة Nature ، أبلغوا عن دقة قياسية عالية في كتابة وقراءة المعلومات الكمومية باستخدام الدوران النووي. 2
نظرًا لأن نواة ذرة الفوسفور لها مجال مغناطيسي ضعيف جدًا وتمتلك أقل عدد دوران لـ ½ (مما يعني أنها أقل حساسية للمجالات الكهربائية والمغناطيسية) ، فهي تقريبًا محصنة ضد الضوضاء المغناطيسية أو التداخل الكهربائي من البيئة. كما أنها “محمية” من الضوضاء بواسطة الطبقة المحيطة بذرات السيليكون ذات الدوران الصفري. وبالتالي ، فإن الدوران النووي له وقت تماسك أطول مما يسمح بتخزين المعلومات فيه لفترة أطول ، مما ينتج عنه مستوى أعلى من الدقة.
“يحتوي قلب ذرة الفوسفور على دوران نووي ، والذي يمكن أن يكون بمثابة وحدة تخزين ذاكرة ممتازة بفضل حساسيته الضعيفة جدًا للضوضاء الموجودة في البيئة المحيطة.”
أندرو زوراك ، تقرير عن عمل فريق جامعة نيو ساوث ويلز ، 3
في عام 2014 ، استخدم فريق آخر (هذه المرة بالتعاون الهولندي الأمريكي) الدورات النووية لذرات الفوسفور في الحوسبة الكمومية لتحقيق دقة أكبر بنسبة 99.99٪ ووقت تماسك أطول يزيد عن 35 ثانية. 4،5
الحواسيب الكمومية في رؤوسنا؟
إذن ، ما علاقة كل هذا بأدمغتنا؟ هناك العديد من الأمثلة في بيولوجيا الكم حيث يشتبه في معالجة الكم. على سبيل المثال ، هناك دليل على أن الطيور تستخدم العمليات الكمومية في شبكية عينها للتنقل عبر الكرة الأرضية وأن عملية التمثيل الضوئي تتم بشكل أكثر كفاءة من خلال تحقيق حالات كمومية متماسكة طويلة العمر. وقد لوحظ أيضًا أن حاسة الشم لدى الإنسان وبعض جوانب الرؤية البشرية تتطلب حدوث معالجة كمية. لذا ، فليس من المستغرب أن نبحث عن المعالجة الكمومية في دماغ الإنسان.
اقترح روجر بنروز ، الفيزيائي المتميز ، وطبيب التخدير ستيوارت هاميروف ، إحدى أولى الفرضيات الشائعة. لقد توقعوا أن المعالجة الكمومية يمكن أن تحدث في الأنابيب الدقيقة للخلايا العصبية .6 ومع ذلك ، كان معظم العلماء متشككين لأن الدماغ كان يعتبر بيئة دافئة ورطبة وصاخبة حيث يحدث التماسك الكمي ، والذي يحدث عادةً في بيئات معزولة للغاية ودرجات حرارة باردة ، يكون من المستحيل تحقيقه. لم يقدم بنروز ولا هاميروف استجابة مرضية لهذا النقد لنظريتهم. ومع ذلك ، كانت هناك اختراقات حديثة في تمديد أوقات التماسك ، وتسرع فرق البحث في جميع أنحاء العالم لتمديد أوقات الاتساق في درجات حرارة الغرفة مع بعض النجاح.
أفكار فيشر الرائدة
في الآونة الأخيرة في عام 2015 ، أنتج ماثيو فيشر ، الفيزيائي بجامعة كاليفورنيا ، نموذجًا يمكن أن تعمل فيه السبينات النووية في ذرات الفوسفور ككيوبتات. هذا النموذج يشبه إلى حد كبير ما تمت مناقشته في القسم السابق من حيث أنه تم تطويره في بيئة معملية ؛ الاستثناء هو أنها تنطبق هذه المرة على الدماغ البشري ، حيث يوجد الفوسفور بكثرة
“هل يمكننا ، نحن أنفسنا ، أن نكون أجهزة كمبيوتر كمومية ، بدلًا من مجرد روبوتات ذكية تقوم بتصميم وبناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟”
ماثيو فيشر ، 10
جادل فيشر بشكل مقنع تمامًا بأن دوران نوى ذرات الفوسفور يمكن عزله بشكل كافٍ (بواسطة السحابة الواقية للإلكترونات حوله والدرع الواقي لطبقة من ذرات الدوران الصفرية) وأيضًا يكون أقل “تشتتًا” بسبب الضوضاء الكمومية بسبب مجالها المغناطيسي الضعيف (بسبب انخفاض عدد دورانها) ، مما يسمح لها بالحفاظ على التماسك الكمي. (الدراسات المختبرية التي تمت مناقشتها في القسم السابق والنتائج التجريبية أثبتت هذه الحقيقة وأكدتها). لذلك ، في بيئة مثل الدماغ حيث تكثر المجالات الكهربائية ، ستكون نوى ذرات الفوسفور في بيئة معزولة بدرجة كافية.
تبدأ العملية في الخلية بمركب كيميائي يسمى بيروفوسفات. إنه مصنوع من فوسفاتين مرتبطين ببعضهما البعض – يتكون كل منهما من ذرة فوسفور محاطة بعدة ذرات أكسجين مع دوران صفري (وضع مشابه لما حدث في الدراسة المختبرية التي نوقشت أعلاه ، حيث كانت ذرة الفوسفور محتشدة داخل ذرات السيليكون مع دوران صفري). يؤدي التفاعل بين لفات الفوسفات إلى تشابكها. ينتج عن أحد التكوينات الناتجة دوران صفري ، أو حالة “أحادية” من التشابك الأقصى. تقوم الإنزيمات بعد ذلك بتفكيك الفوسفات المتشابك إلى أيوني فوسفات حر ، والذي يستمر في التشابك أثناء الانجراف بعيدًا. ثم تتحد هذه الفوسفات المتشابكة بشكل منفصل مع أيونات الكالسيوم وذرات الأكسجين لتصبح جزيئات بوسنر ، كما هو موضح أدناه.
توفر هذه المجموعات “درعًا” إضافيًا للأزواج المتشابكة من التداخل الخارجي بحيث يمكنها الحفاظ على التماسك لفترات أطول بكثير من الوقت عبر مسافات طويلة في الدماغ. عندما قدر فيشر وقت التماسك لهذه الجزيئات ، فقد جاء على أنه 105 ثانية لا تصدق – يوم كامل
ماذا بعد؟
على الرغم من أن فيشر لا يبدو أنه يوضح بالتفصيل ما يحدث بعد ذلك – وهو أمر مهم إذا أردنا الحصول على الصورة العامة – سيحاول هذا المؤلف القيام بذلك. ستنتشر النوى العديدة المتشابكة لذرات الفوسفور (داخل جزيئات بوسنر) على مساحة واسعة في الدماغ. سيكونون في حالة تراكب ، موجودون كأمواج ، لبعض الوقت قبل أن ينهاروا. عندما يحدث الانهيار ، تستجيب الإلكترونات الموجودة في الذرة. تحدد الإلكترونات الخصائص الكيميائية للذرات. لذلك ، يتسبب الانهيار في تغيير الخصائص الكيميائية لذرات الفوسفور ، مما يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي ترسل سلسلة من الناقلات العصبية إلى مشابك الخلايا العصبية. ثم يتكامل قطار الإشارات الكهروكيميائية لتشكيل تصور يتم تفسيره بناءً على تجارب حياة الشخص.
يحل هذا السؤال الذي طال أمده في علم الأعصاب والذي حير العلماء: كيف يتمكن الدماغ من دمج
المعلومات من أجزاء مختلفة من الدماغ لتكوين تصور متماسك؟
ربما مع “آلية فيشر” (وهو المصطلح الذي صكه هذا المؤلف حديثًا) ، يمكن أن يكون الحل هو الانهيار
المتزامن للدوران النووي لذرات الفوسفور المتشابكة في طبقات وأجزاء مختلفة من الدماغ.
محددات
يتمثل التحديد الأكثر وضوحًا في أن أفكار فيشر حاليًا لم تخضع لاختبارات شاملة ، على الرغم من أن بعض
الجوانب (على سبيل المثال ، وقت التماسك الأطول لذرات الفوسفور) قد تم اختبارها بالفعل في المختبر.
ومع ذلك ، هناك خطط للقيام بذلك. سيكون الاختبار الأول هو ما إذا كانت جزيئات بوسنر موجودة في
السوائل خارج الخلية وما إذا كانت متشابكة. يقترح فيشر اختبار هذا في المختبر عن طريق تحفيز التفاعلات
الكيميائية لتشابك لفائف الفوسفور النووية ، ثم صب المحلول في أنبوبين اختبار والبحث عن الارتباطات
الكمية في الضوء المعطى.
يعتقد روجر بنروز أن آلية فيشر يمكن أن تساعد فقط في تفسير الذاكرة طويلة المدى ولكنها قد لا تكون
كافية لشرح الوعي. تحقيقا لهذه الغاية ، على الرغم من أن معظم العلماء يشككون. سيكون من المثير
للاهتمام إذا تم العثور على جزيئات بوسنر (مع الجسيمات المتشابكة) في هذه الأنابيب الدقيقة – عندها
ستكون فرضيات فيشر وبنروز هاميروف صحيحة جزئيًا على الأقل. (الجميع يحب النهاية السعيدة!)
شيء صغير
1. ثبت في المختبر أن الحوسبة الكمومية باستخدام ذرات الفوسفور المعزولة والمحجوبة تؤدي إلى نتائج دقيقة للغاية وأوقات تماسك أطول.
2. الفوسفور وفير في الدماغ.
3. قد يستخدم الدماغ البشري (وربما أدمغة الحيوانات الأخرى) السبينات النووية لذرات الفوسفور كوحدات كيوبت لتنفيذ الحوسبة الكمومية.
