Información cuántica en la conciencia cuántica

En general, se acepta que un físico estudiante de posgrado ni siquiera debe tocar algunas tareas científicas con la punta de una lanza larga, esto se aplica especialmente a las lagunas en los fundamentos de la teoría cuántica. Estas tareas son tan complejas que no hay la más mínima posibilidad de progreso. Estas tareas son tan vagas que no existe la menor posibilidad de convencer a nadie de que preste atención al progreso. Un ejemplo de tal tarea es el papel de la física cuántica en la formación de la conciencia.


Crédito: dailygalaxy.com

Descargo de responsabilidad! De un traductor: traduje esta publicación en un intento de descubrir una idea. El concepto en sí es bastante controvertido, y no todos los puntos son claros (o insuficientemente completos) en el original. No asumo la responsabilidad de inventar el original y dejar una publicación como punto de partida para sus pensamientos y debates.

Ya había una publicación en Habré sobre la idea de Fisher, pero siempre es interesante escuchar las explicaciones de los actores (autores). Algunos lugares están adaptados, se agregan enlaces.

De hecho, sabemos que la física cuántica definitivamente juega un papel en nuestras mentes: las leyes de la física cuántica permiten que los átomos permanezcan estables, y los átomos en descomposición definitivamente no pueden afectar la conciencia.

Pero la mayoría de los físicos están convencidos de que el enredo cuántico útil no puede existir en el cerebro. El entrelazamiento se manifiesta en correlaciones cuánticas entre sistemas cuánticos, que son más fuertes que las que se pueden lograr en los sistemas clásicos. El enredo se descompone muy rápidamente en entornos cálidos, húmedos y ruidosos.
Y el cerebro es solo un entorno así. Imagina que pones las moléculas enredadas A y B en el cerebro de alguien. El agua, los iones y otras partículas colisionarán con estas moléculas. Cuanto mayor es la temperatura del medio, más colisiones. Las partículas del medio se enredarán con las moléculas A y B a través de la interacción electromagnética. Cuanto más se enrede A con el medio ambiente, menos A puede quedar enredado con B. Finalmente, A se confundirá ligeramente con muchas partículas del medio. Pero un enredo tan débil no puede usarse para algunos cálculos útiles. Entonces parece que es poco probable que la física cuántica afecte significativamente la conciencia.


No toques

Sin embargo, mi asesor de investigación, John Preskill , sugirió pensar si estaría interesado en trabajar en este tema.

Pruebe con un tema completamente nuevo ", dijo," aproveche la oportunidad ". Si no funciona, está bien. De todos modos, no esperan mucho de los estudiantes de posgrado. ¿Has visto el artículo de Matthew Fisher sobre la conciencia cuántica?

Matthew Fisher es físico teórico en la Universidad de California en Santa Bárbara. Es alabado y venerado, especialmente por su trabajo en superconductores . Hace un par de años, Matthew se interesó en la bioquímica. Sabía, por supuesto, que la mayoría de los físicos dudan de la participación de procesos cuánticos en la formación de la conciencia. Pero, ¿y si esto no fuera así, pensó, cómo podrían participar? Pensé, y en 2015 escribí un artículo en Annals of Physics, en el que, utilizando el desarrollo inverso, propuse una variante de la conciencia cuántica.

Un estudiante graduado en ningún caso debe ocuparse de tales tareas, incluso una antena de radio de tres metros, afirma tener sentido común. Pero confío en John Preskill como ningún otro en la Tierra.
Veré el artículo , dije.



Matthew sugirió que la física cuántica puede influir en la conciencia de la siguiente manera ( aprox. Per. También artículo sobre Habré ). Los experimentadores ya han realizado la computación cuántica utilizando un sistema caliente, húmedo y aleatorio: la resonancia magnética nuclear (RMN) . La RMN se utiliza en la resonancia magnética (IRM) para obtener imágenes del cerebro humano. Un sistema de RMN estándar consiste en moléculas líquidas a alta temperatura. Las moléculas, a su vez, están compuestas de átomos, cuyos núcleos poseen una propiedad cuántica llamada espín . Los giros de los núcleos pueden codificar información cuántica (CI).

Matthew razonó: ¿qué podría evitar que los espines de los núcleos almacenen información cuántica en nuestros cerebros? Recopiló una lista de cosas que podrían destruir la información cuántica, y concluyó que los iones de hidrógeno representan la mayor amenaza. Pueden enredarse con giros (y conducir a la decoherencia ) a través de una interacción dipolo - dipolo .

¿Cómo puede spin evitar esta amenaza? Por ejemplo, un giro de magnitud cero el momento cuadrupolo eléctrico del núcleo; las interacciones cuadrupolo no pueden conducir a la decoherencia de tal giro. Y en qué átomos en nuestro cuerpo el giro es igual ? En hidrógeno y fósforo. Solo el hidrógeno es susceptible a otras fuentes de decoherencia, por lo que Matthew llegó a la conclusión de que los átomos de fósforo pueden almacenar CI en nuestro cerebro, mientras que los espines del núcleo de fósforo funcionan como qubits (bits cuánticos).

El fósforo está protegido de las interacciones eléctricas, pero ¿qué pasa con las interacciones dipolo-dipolo magnético? Dichas interacciones dependen de la orientación de los giros en relación con su posición en el espacio. Si el fósforo es parte de una molécula pequeña que cuelga en el fluido biológico, la posición del núcleo cambia al azar y, en promedio, la interacción será cero.

Hay otros átomos en las moléculas además del fósforo. Los núcleos de estos átomos pueden interactuar con el espín de fósforo y destruir su estado cuántico. Esto no sucederá en un solo caso: cuando todos los giros de estos núcleos sean iguales a cero. ¿En qué átomos del cuerpo humano las partes posteriores del núcleo son iguales a cero? En oxígeno y calcio. Por lo tanto, el fósforo estará protegido de la interacción con otros átomos en las moléculas con calcio y oxígeno.

Matthew propuso su propia versión de una molécula que protegería el fósforo de la decoherencia. Y luego descubrí que esa molécula se describe en la literatura científica. Molécula llamado un grupo de Posner o una molécula de Posner (lo llamaré Posner para abreviar). Posner puede existir en bi-fluidos artificiales, fluidos creados para simular fluidos dentro de nosotros. Se cree que los Posners pueden existir en nuestros cuerpos y participar en la formación ósea. Matthew estima que los Posners pueden proteger las reservas de fósforo de la decoherencia durante 1-10 días.


Molécula de Posner (imagen cortesía de Swift et al. )

Pero, ¿cómo pueden los Posners afectar la conciencia? Matthew propuso la siguiente opción. La molécula de trifosfato de adenosina (ATP) es una fuente de energía para reacciones bioquímicas. "Trifosfato" significa que contiene tres iones fosfato - compuestos que consiste en un átomo de fósforo y tres átomos de oxígeno. Dos fosfatos pueden separarse de la molécula de ATP, mientras permanecen conectados entre sí.

Un par de fosfatos se desplazará hasta encontrar una enzima llamada pirofosfatasa. Esta enzima puede dividir un par de fosfatos en dos fosfatos independientes. Al mismo tiempo, como Matthew sugirió, junto con Leo Rajihovsky , los espines de los núcleos de fósforo se proyectan en un estado singlete. , que es un estado con la máxima confusión.

Imagine muchos fosfatos en biofluidos. Seis fosfatos se pueden combinar con nueve iones de calcio para formar una molécula de Posner. Cada Posner puede tener seis singles comunes con otros Pozners: así es como se forman nubes enteras de moléculas de Posner enredadas.
Un grupo de Posner puede entrar en una neurona, mientras que otro grupo - en otra neurona. Los poseedores se pueden transferir a través de las membranas celulares con la proteína VGLUT (BNPI). Entonces dos neuronas también están confundidas. Imagine dos Posners, P y Q, que convergen en la neurona N. Los cálculos de la química cuántica muestran que estos Posners pueden combinarse entre sí. Supongamos que P estaba enredado con Posner P ' en la neurona N' . Si P y Q se combinan en la neurona N , el enredo entre P y P ' aumentará la probabilidad de combinar P' y Q ' .

United Posners se moverá lentamente, tendrán que superar la resistencia del agua. El hidrógeno y el magnesio pueden reemplazar al calcio en Posner, rompiendo moléculas. Los fosfatos con carga negativa atraerán carga positiva y , al igual que los fosfatos atraen . El calcio liberado llenará las neuronas N y N '. Un aumento en la concentración de calcio conduce a la aparición de un potencial químico en el axón y la liberación de neurotransmisores que transmiten una señal entre dos neuronas. Si dos neuronas N y N 'se enredan a través de las moléculas de Posner, dos neuronas pueden encenderse simultáneamente.



No sabemos si el mecanismo sugerido por Matthew funciona en nuestros cerebros. Sin embargo, el año pasado la Fundación Heising-Simons asignó $ 1.2 millones a Matthew y sus colegas para experimentos.

John Preskill me dijo: por ejemplo, la idea de Matthew es al menos parcialmente cierta, y las moléculas de Posner realmente pueden almacenar información cuántica. Los sistemas cuánticos procesan la información de manera diferente a los sistemas clásicos. ¿Qué tan rápido puede Posner procesar la información cuántica?
Lancé mi lanza en el quinto año de la escuela de posgrado, y me fui de Caltech para una pasantía de cinco meses, después de haber prometido regresar con un artículo respondiendo a la pregunta de John. Y así lo hice: el artículo fue publicado en Annals of Physics este mes.



Afortunadamente, pude interesar a Elizabeth Crosson en mi proyecto. Elizabeth, ahora profesora asistente en la Universidad de Nuevo México, era un postdoctorado en el grupo de John. Ambos tratamos la teoría de la información cuántica, pero nuestras calificaciones, habilidades y fortalezas variaron. Nos complementamos, poseyendo la misma obstinación, lo que nos obligó a seguir enviando cartas e intercambiando mensajes día y noche.

Elizabeth y yo tradujimos las ideas de Matthew del lenguaje de la bioquímica al lenguaje matemático de la teoría de CI. Dividimos la narrativa de Matthew en una secuencia de pasos bioquímicos, y descubrimos cómo cada uno de estos pasos convertirá el IC registrado en los núcleos de fósforo. Presentamos cada transformación en forma de una ecuación y un elemento de un diagrama de flujo (los elementos del diagrama de flujo son imágenes que se pueden crear juntas para crear circuitos de algoritmos de trabajo). Llamamos a este conjunto de transformaciones operaciones de Posner.

Imagine que puede realizar operaciones de Posner preparando moléculas, tratando de conectarlas, etc. ¿Cómo puede manejar CI con tales operaciones? Elizabeth y yo hemos encontrado aplicaciones en mensajería cuántica, grabación de errores cuánticos y computación cuántica. Nuestros resultados se basan en una suposición, posiblemente errónea, de que Matthew llegó a las conclusiones correctas. Caracterizamos lo que los Pozners pueden lograr si se manejan activamente, aunque las influencias aleatorias los dirigirían en fluidos biológicos. Pero este es al menos un buen punto de partida para futuras investigaciones.

Encontramos varios efectos de CI que pueden realizarse con las moléculas de Posner. En primer lugar, KI puede teletransportarse de un Posner a otro, pero surge un ruido. Su naturaleza está en la dimensión efectiva que Posner realiza entre sí cuando se combina. Esta dimensión transforma el subespacio del espacio de Hilbert de dos Posners a través de la dimensión aproximada de Bell. La medición de Bell proporciona uno de los cuatro resultados posibles, o dos bits. Si se descarta uno de los bits, el resultado de la medición será grueso. La teletransportación cuántica requiere una medición de Bell, y el engrosamiento de esta medición conduce al ruido.

Esta ruidosa teletransportación también se denomina codificación súper densa . Un bit es un parámetro aleatorio que toma uno de dos valores, y "trit" es un parámetro aleatorio que puede tomar uno de los tres valores posibles. Un trit puede teletransportarse efectivamente de un Posner a otro mediante el enredo si un bit se transmite directamente entre ellos.



En segundo lugar, Matthew argumentó que la estructura de Posner protege a CI de la decoherencia. Los científicos han desarrollado programas de detección y corrección de errores para proteger a CI de la decoherencia. ¿Puede Pozner realizar tales programas en nuestro modelo? Resulta que sí: Elizabeth y yo (con la ayuda del ex postdoctorado de Caltech Fernando Pastavsky ) desarrollamos un programa para detectar errores que pueden funcionar en Posner. One Posner codifica un kutrit lógico (versión cuántica del trit), y el código detecta cualquier error que ocurra en uno de los seis qubits en Pozner.

Tercero, ¿qué tan complejo puede ser un estado cuántico que se pueda preparar usando las operaciones de Posner? Bastante complicado, como hemos descubierto: suponga que puede medir este estado localmente para que los resultados de mediciones anteriores influyan en las mediciones en el futuro. Puedes hacer cualquier cálculo cuántico. Es decir, la operación Posner le permite preparar un estado que puede usarse para crear una computadora cuántica universal .

Finalmente, encontramos una estimación numérica del efecto del enredo en la tasa de asociación de Posner. Imagine que ha preparado dos Posner P y P ', que se confunden solo con otras partículas. Si los Posners se acercan a la orientación correcta, la probabilidad de su asociación en nuestro modelo es del 33,6%. Y si cada qubit en P se confunde al máximo con un qubit en P ', la probabilidad de combinar aumenta al 100%.


Elizabeth y yo presentamos el proceso descrito por Matthew en un artículo de 2015 como diagramas de flujo.

Tenía miedo de que otros científicos ridiculizaran nuestro trabajo como locos. Para mi sorpresa, fue recibida con entusiasmo: sus colegas elogiaron el riesgo de la investigación en una nueva dirección. Además, nuestro trabajo no es para nada loco: no pretendemos que la física cuántica afecte la conciencia. Nos basamos en los supuestos de Matthew, notando que pueden ser erróneos, y examinamos las consecuencias de sus supuestos. No somos bioquímicos ni experimentadores, por lo que nos limitamos a las afirmaciones de la teoría de CI.

Es posible que Pozner no pueda mantener la coherencia el tiempo suficiente para utilizar los efectos cuánticos en el procesamiento de la información. ¿Los errores de Matthew pondrán fin a nuestra investigación? No Posner nos llevó a ideas y preguntas en la teoría de CI. Por ejemplo, nuestros circuitos cuánticos ilustran las interacciones (puertas unitarias) y las mediciones realizadas mediante la combinación de Pozners. Estos esquemas motivaron parcialmente el surgimiento de un nuevo campo de investigación que surgió el verano pasado y ahora está ganando impulso. Tomemos puertas unitarias aleatorias intercaladas con medidas. Las interacciones unitarias enredan qubits y las dimensiones destruyen el enredo. ¿Cuál de las influencias será más significativa? ¿Pasará el sistema de un estado de "muy confundido" a "muy confundido" a una frecuencia de medición dada? Investigadores de Santa Bárbara y Colorado ; MIT Oxford Lancaster, Reino Unido ; Berkeley Stanford y Princeton abordó este tema.

El físico aspirante, como se cree comúnmente, no debe tocar la conciencia cuántica ni siquiera con la alabarda de la guardia suiza. Pero me alegro de haberlo intentado: aprendí mucho, contribuí a la ciencia y fue una aventura. Y si alguien no aprueba tal imprudencia, puedo culpar a John Preskill.

El artículo "Información cuántica en el modelo Posner de cognición cuántica" se puede encontrar aquí . La versión para arXiv está aquí , y aquí está el informe sobre el artículo.