المعلومات الكمومية في الوعي الكمومي

من المقبول عمومًا ألا يتطرق الفيزيائي لطلاب الدراسات العليا إلى بعض المشكلات العلمية حتى مع وجود رمح طويل - وهذا ينطبق بشكل خاص على الثغرات الموجودة في أسس نظرية الكم. هذه المهام معقدة للغاية بحيث لا توجد أدنى فرصة للتقدم. هذه المهام غامضة لدرجة أنه لا توجد أدنى فرصة لإقناع أي شخص بالاهتمام بالتقدم. مثال على مثل هذه المهمة هو دور فيزياء الكم في تكوين الوعي.


الائتمان: dailygalaxy.com

تنويه! من أحد المترجمين: قمت بترجمة هذا المنشور في محاولة لمعرفة فكرة. المفهوم نفسه مثير للجدل إلى حد كبير ، وليس كل النقاط واضحة (أو غير كاملة بشكل كاف) في الأصل. لا أتحمل مسؤولية اختراع النسخة الأصلية وترك منشور كنقطة انطلاق لأفكارك ومناقشاتك.

كان هناك بالفعل منشور عن هابري حول فكرة فيشر ، ولكن من المثير للاهتمام دائمًا سماع تفسيرات من الممثلين (المؤلفين). يتم تكييف بعض الأماكن ، يتم إضافة الروابط.

في الواقع ، نعلم أن فيزياء الكم تلعب بالتأكيد دورًا في أذهاننا: قوانين الفيزياء الكمومية تسمح للذرات بالبقاء مستقرًا ، وبالتأكيد لن تتمكن الذرات المتحللة من التأثير على الوعي.

لكن معظم علماء الفيزياء مقتنعون بأن التشابك الكمومي المفيد لا يمكن أن يوجد في الدماغ. يتجلى التشابك في الارتباطات الكمومية بين الأنظمة الكمومية ، والتي هي أقوى من أي تحقيق في النظم الكلاسيكية. التشابك يتحلل بسرعة كبيرة في البيئات الحارة والرطبة والصاخبة.
والدماغ هو مجرد مثل هذه البيئة. تخيل أنك وضعت الجزيئات المتشابكة A و B في دماغ شخص ما. الماء والأيونات والجزيئات الأخرى سوف تصطدم مع هذه الجزيئات. كلما ارتفعت درجة حرارة الوسط ، زاد الاصطدام. سوف تصبح جزيئات الوسط متشابكة مع الجزيئات A و B من خلال التفاعل الكهرومغناطيسي. كلما زاد تشابك البيئة مع البيئة ، قلت درجة التشابك مع في النهاية ، سوف يتم الخلط قليلاً بين A وجزيئات كثيرة من الوسط. لكن مثل هذا التشابك الضعيف لا يمكن استخدامه في بعض الحسابات المفيدة. لذلك يبدو أنه من غير المرجح أن تؤثر فيزياء الكم بشكل كبير على الوعي.


لا تلمس

ومع ذلك ، اقترح مستشار الأبحاث ، جون بريسكيل ، التفكير فيما إذا كنت سأهتم بالعمل في هذا الموضوع.

جرب موضوعًا جديدًا تمامًا ، قال: " انتهز الفرصة". إذا لم ينجح الأمر ، حسنًا. ومع ذلك ، فهم لا يتوقعون الكثير من طلاب الدراسات العليا. هل رأيت مقالة ماثيو فيشر حول الوعي الكمومي؟

ماثيو فيشر هو فيزيائي نظري في جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا. هو مدح ومقدس ، خاصةً لعمله على الموصلات الفائقة . قبل عامين ، أصبح ماثيو مهتمًا بالكيمياء الحيوية. كان يعلم ، بالطبع ، أن معظم علماء الفيزياء يشككون في مشاركة العمليات الكمومية في تكوين الوعي. لكن ماذا لو لم يكن الأمر كذلك ، فكّر ، كيف يمكنهم المشاركة؟ لقد فكرت - وفي عام 2015 كتبت مقالاً في حوليات الفيزياء ، اقترحت فيه ، بمساعدة الهندسة العكسية ، نوعًا مختلفًا من الوعي الكمومي.

لا ينبغي لطالب الدراسات العليا في أي حال من الأحوال أن يهتم بمثل هذه المهام ، حتى هوائي الراديو الذي يبلغ ارتفاعه ثلاثة أمتار ، ويدعي المنطق السليم. لكنني أثق بجون بريسكيل لا مثيل له على الأرض.
سوف أنظر إلى المقال ، قلت.



اقترح ماثيو أن فيزياء الكم يمكن أن تؤثر على الوعي على النحو التالي ( تقريبًا. لكل مقالة أيضًا عن حبري ). قام التجربون بالفعل باستخدام الحوسبة الكمومية باستخدام نظام واحد ساخن ورطب وعشوائي: الرنين المغناطيسي النووي (NMR) . يستخدم الرنين المغناطيسي النووي في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) للحصول على صور من الدماغ البشري. يتكون نظام الرنين المغناطيسي النووي القياسي من جزيئات سائلة في درجة حرارة عالية. وتتكون الجزيئات ، بدورها ، من ذرات تمتلك نواتها خاصية كمية تدعى spin . يمكن أن تدور تدور نوى المعلومات الكمومية (CI).

سبب ماثيو: ما الذي يمكن أن يمنع تدور النواة من تخزين المعلومات الكمومية في أدمغتنا؟ قام بتجميع قائمة من الأشياء التي يمكن أن تدمر المعلومات الكمومية ، وخلص إلى أن أيونات الهيدروجين تشكل أكبر تهديد. يمكن أن تتشابك مع الدورات (وتؤدي إلى فك الارتباط ) من خلال تفاعل ثنائي القطب .

كيف يمكن أن تدور تجنب هذا التهديد؟ على سبيل المثال ، تدور من الحجم صفر لحظة رباعي النواة الكهربائية ؛ لا يمكن أن تؤدي تفاعلات الرباعي إلى فك الارتباط لمثل هذه الدوران. وفي أي ذرات في جسمنا فإن الدوران يساوي ؟ في الهيدروجين والفوسفور. فقط الهيدروجين هو عرضة لمصادر أخرى من decoherence ، لذلك خلص ماثيو إلى أن ذرات الفسفور يمكن أن تخزن CIs في أدمغتنا ، في حين أن نواة نواة الفوسفور تعمل مثل البتات (البتات الكمومية).

الفوسفور محمي من التفاعلات الكهربائية ، لكن ماذا عن تفاعلات ثنائي القطب المغناطيسي؟ تعتمد مثل هذه التفاعلات على اتجاه الدوران بالنسبة إلى موضعها في الفضاء. إذا كان الفسفور جزءًا من جزيء صغير يتدلى في السائل البيولوجي ، فإن موضع النواة يتغير بشكل عشوائي ، وفي المتوسط ​​سيكون التفاعل صفراً.

هناك ذرات أخرى في الجزيئات إلى جانب الفسفور. يمكن أن تتفاعل نوى هذه الذرات مع دوران الفوسفور ، وتدمر حالته الكمومية. لن يحدث هذا في حالة واحدة فقط: عندما تكون كل ذرات هذه النوى مساوية للصفر. في أي ذرات في جسم الإنسان تكون ظهور النواة مساوية للصفر؟ في الأكسجين والكالسيوم. لذلك سيتم حماية الفسفور من التفاعل مع الذرات الأخرى في الجزيئات التي تحتوي على الكالسيوم والأكسجين.

اقترح ماثيو نسخته الخاصة من جزيء يحمي الفوسفور من التحلل. ثم اكتشفت أن هذا الجزيء موصوف بالفعل في الأدبيات العلمية. جزيء دعا كتلة بوسنر أو جزيء بوسنر (سأطلق عليه بوسنر لفترة قصيرة). يمكن أن يوجد Posner في سوائل ثنائية اصطناعية - سوائل تم إنشاؤها لمحاكاة السوائل بداخلنا. ويعتقد أن Posners يمكن أن توجد في أجسامنا والمشاركة في تكوين العظام. يقدر ماثيو أن بوسنر يمكنه حماية ظهور الفوسفور من فك الارتباط لمدة 1-10 أيام.


جزيء بوسنر (الصورة من سويفت وآخرون )

ولكن كيف يمكن أن يؤثر Posners على الوعي؟ اقترح ماثيو الخيار التالي. جزيء أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو مصدر طاقة للتفاعلات الكيميائية الحيوية. "ثلاثي الفوسفات" يعني أنه يحتوي على ثلاثة أيونات فوسفات - مركبات تتكون من ذرة الفسفور وثلاث ذرات أكسجين. يمكن فصل اثنين من الفوسفات عن جزيء ATP ، مع الاستمرار في الاتصال ببعضهما البعض.

سوف ينجرف زوج من الفوسفات حتى يصادف إنزيمًا يسمى بيروفوسفاز. يمكن لهذا الانزيم تقسيم زوج من الفوسفات إلى فوسفاتين مستقلين. في الوقت نفسه ، كما اقترح ماثيو ، مع ليو راجوفوفسكي ، يتم تدور نواة الفسفور في حالة قشرة ، وهي حالة مع الحد الأقصى من الارتباك.

تخيل الكثير من الفوسفات في السوائل الحيوية. يمكن أن تتحد ستة فوسفات مع تسعة أيونات الكالسيوم لتشكيل جزيء بوسنر. يمكن أن يحصل كل Posner على ستة أغنيات فردية مع Pozners الآخرين - هكذا تتشكل سُحب من جزيئات Posner المتشابكة.
يمكن لمجموعة من Posner الدخول في خلية عصبية واحدة ، في حين أن مجموعة أخرى - في خلية عصبية أخرى. يمكن نقل Posners عبر أغشية الخلايا مع بروتين VGLUT (BNPI). لذلك يتم الخلط بين اثنين من الخلايا العصبية. تخيل اثنين من Posners ، P و Q ، تتقارب في الخلايا العصبية N. حسابات الكيمياء الكمومية تظهر أن هذه Posners يمكن أن تتحد مع بعضها البعض. افترض أن P كان متشابكًا مع Posner P ' في الخلية العصبية N' . إذا تم الجمع بين P و Q في الخلايا العصبية N ، فإن التشابك بين P و P ' سيزيد من احتمال الجمع بين P' و Q ' .

سوف يتحرك United Posners ببطء - سيتعين عليهم التغلب على مقاومة الماء. يمكن للهيدروجين والمغنيسيوم أن يحل محل الكالسيوم في بوسنر ، وكسر الجزيئات. سوف جذب الفوسفات سالبة الشحنة موجبة و ، تماما مثل جذب الفوسفات . سوف الكالسيوم صدر تملأ الخلايا العصبية N و N. تؤدي زيادة تركيز الكالسيوم إلى ظهور احتمالية كيميائية على المحور العصبي وإطلاق نواقل عصبية تنقل إشارة بين عصبونين. إذا تم تشابك خليتين من الخلايا العصبية N و N من خلال جزيئات Posner ، يمكن أن تشتعل خليتان عصريان في وقت واحد.



لا نعرف ما إذا كانت الآلية التي اقترحها ماثيو تعمل في أدمغتنا. ومع ذلك ، في العام الماضي خصصت مؤسسة Heising-Simons 1.2 مليون دولار لماثيو وزملائه لإجراء التجارب.

أخبرني جون بريسكيل: على سبيل المثال ، فكرة ماثيو صحيحة جزئيًا على الأقل ، ويمكن لجزيئات بوزنر أن تخزن معلومات كمية بالفعل. تعالج النظم الكمومية المعلومات بطريقة مختلفة عن الأنظمة التقليدية. ما مدى سرعة بوسنر في معالجة المعلومات الكمية؟
رميت رمحتي في السنة الخامسة من كلية الدراسات العليا ، وذهبت من معهد كاليفورنيا للتدريب لمدة خمسة أشهر ، بعد أن تعهدت بالعودة بمقال يجيب على سؤال جون. وفعلت ذلك: تم نشر المقال في حوليات الفيزياء هذا الشهر.



لحسن الحظ ، كنت قادراً على الاهتمام بـ Elizabeth Crosson في مشروعي. كانت إليزابيث ، الآن أستاذة مساعدة في جامعة نيو مكسيكو ، ثم طالبة دراسات عليا في مجموعة جون. لقد تعاملنا مع نظرية المعلومات الكمية ، لكن مؤهلاتنا وقدراتنا ونقاط القوة لدينا تباينت. لقد استكملنا بعضنا البعض ، ولدينا نفس العناد الذي أجبرنا على مواصلة إرسال الرسائل وتبادل الرسائل ليل نهار.

قمت أنا وإليزابيث بترجمة أفكار ماثيو من لغة الكيمياء الحيوية إلى اللغة الرياضية لنظرية CI. قمنا بتقسيم رواية ماثيو إلى سلسلة من الخطوات الكيميائية الحيوية ، واكتشفنا كيف ستحول كل خطوة من هذه الخطوات مؤشر CI المسجل في نوى الفسفور. قدمنا ​​كل تحويل في شكل معادلة وعنصر في مخطط انسيابي (عناصر المخطط الانسيابي هي صور يمكن إنشاؤها معًا لإنشاء دوائر من خوارزميات العمل). أطلقنا على هذه المجموعة من عمليات تحويل Posner.

تخيل أنه يمكنك إجراء عمليات Posner من خلال تحضير الجزيئات ، ومحاولة توصيلها ، إلخ. كيف يمكنك التعامل مع CI مع مثل هذه العمليات؟ لقد وجدت أنا وإليزابيث تطبيقات في الرسائل الكمومية وتسجيل الأخطاء الكمومية والحوسبة الكمومية. تستند نتائجنا إلى افتراض واحد - ربما خاطئ - بأن ماثيو قدم الاستنتاجات الصحيحة. لقد وصفنا ما يمكن أن يحققه Pozners إذا تمت إدارته بنشاط ، على الرغم من أن التأثيرات العشوائية ستوجههم إلى السوائل البيولوجية. ولكن هذا على الأقل نقطة انطلاق جيدة لمزيد من البحث.

لقد وجدنا العديد من تأثيرات CI التي يمكن تحقيقها باستخدام جزيئات Posner. أولاً ، يمكن نقل KI من Posner إلى آخر ، ولكن تنشأ الضوضاء. طبيعتها هي في البعد الفعال الذي يؤديه Posner على بعضها البعض عند الجمع. يحول هذا البعد المساحة الفرعية لمساحة Hilbert الخاصة بشركتي Posner من خلال بُعد Bell الخام. يعطي قياس Bell أحد النتائج الأربعة المحتملة ، أو اثنتين من البتات. إذا تم تجاهل أحد البتات ، فستكون نتيجة القياس خشنة. يتطلب الانتقال الهوائي الكمي قياسًا للجرس ، ويؤدي تشديد هذا القياس إلى الضوضاء.

ويسمى هذا النقل الفضائي أيضًا الترميز الفائق الكثافة . البتة هي معلمة عشوائية تأخذ إحدى القيمتين ، و "trit" هي معلمة عشوائية يمكنها أن تأخذ واحدة من ثلاث قيم ممكنة. يمكن أن يتم نقل أداة trit بشكل فعال من Posner إلى آخر باستخدام تشابك إذا تم نقل بت واحد مباشر بينهما.



ثانياً ، جادل ماثيو بأن بنية بوسنر تحمي CI من فك الارتباط. طور العلماء برامج تصحيح الأخطاء والكشف عنها لحماية CI من فك الارتباط. هل تستطيع بوزنر تحقيق مثل هذه البرامج في نموذجنا؟ اتضح أن نعم: طورت أنا و إليزابيث (بمساعدة من باحث سابق سابق من Caltech Fernando Pastavsky ) برنامجًا لاكتشاف الأخطاء التي يمكن أن تعمل على Posner. تقوم أداة Posner الواحدة بتشفير kutrit منطقي (الإصدار الكمومي من trit) ، ويكشف الرمز عن أي خطأ يحدث في أحد البتات الستة في Pozner.

ثالثًا ، ما مدى تعقيد الحالة الكمية التي يمكن إعدادها باستخدام عمليات Posner؟ معقدة للغاية ، كما اكتشفنا: لنفترض أنه يمكنك قياس هذه الحالة محليًا بحيث تؤثر نتائج القياسات السابقة على القياسات في المستقبل. يمكنك أن تفعل أي حساب الكم. بمعنى أن عملية Posner تتيح لك إعداد حالة يمكن استخدامها لإنشاء جهاز كمبيوتر كمومي عالمي .

أخيرًا ، وجدنا تقديرًا رقميًا لتأثير التشابك على معدل ارتباط Posner. تخيل أنك قد قمت بإعداد Posner P و P '، اللذين يتم الخلط بينهما فقط مع الجزيئات الأخرى. إذا اقترب Posners من الاتجاه الصحيح ، فإن احتمال ارتباطهم في نموذجنا هو 33.6 ٪. وإذا تم الخلط بين كل كيلوبت في P وربح في P '، فإن احتمال الجمع يزداد إلى 100 ٪.


أنا وإليزابيث أقدم العملية التي وصفها ماثيو في مقال 2015 على هيئة مخططات انسيابية.

كنت خائفة من أن يسخر العلماء الآخرون من عملنا كجنون. لدهشتي ، استقبلت بحماس: أشاد زملائها بمخاطر البحث في اتجاه جديد. بالإضافة إلى ذلك ، عملنا ليس مجنونًا على الإطلاق: لا ندعي أن فيزياء الكم تؤثر في الوعي. نحن نبني على افتراضات ماثيو ، مع ملاحظة أنها قد تكون خاطئة ، ونبحث في نتائج افتراضاته. نحن لسنا الكيميائيين البيولوجيين ، ولا المجربين ، لذلك نحن نحصر أنفسنا في البيانات في نظرية CI.

قد يتعذر على Pozner الحفاظ على التماسك لفترة كافية لاستخدام التأثيرات الكمومية في معالجة المعلومات. هل أخطاء ماثيو تضع حدا لأبحاثنا؟ لا. دفعنا بوسنر إلى الأفكار والأسئلة في نظرية CI. على سبيل المثال ، توضح دوائرنا الكمومية التفاعلات (البوابات الوحدوية) والقياسات التي تم إجراؤها من خلال الجمع بين Pozners. حفزت هذه المخططات جزئياً ظهور مجال جديد من البحوث التي ظهرت في الصيف الماضي وتكتسب زخماً الآن. لنأخذ بوابات وحدوية عشوائية تتخللها قياسات. تتشابك التفاعلات الوحدية مع وحدات البت ، والأبعاد تدمر التشابك. أي من التأثيرات ستكون أكثر أهمية؟ هل ينتقل النظام من حالة "مرتبك إلى حد كبير" إلى "مرتبك إلى حد كبير" على تردد قياس معين؟ باحثون من سانتا باربرا وكولورادو ؛ معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. أكسفورد لانكستر ، المملكة المتحدة ؛ بيركلي. ستانفورد . وتناول برينستون هذه المسألة.

الفيزيائي الطموح ، كما هو شائع ، لا ينبغي أن يمس الوعي الكمي حتى مع مطارد الحرس السويسري. لكنني سعيد لأنني حاولت: لقد تعلمت الكثير ، وأسهمت في العلوم ، وكانت مغامرة. وإذا كان شخص ما لا يوافق على مثل هذه الوقاحة ، يمكنني أن ألوم جون بريسكيل.

يمكن العثور على مقالة "معلومات الكم في نموذج بوسنر للإدراك الكمي" هنا . إصدار arXiv موجود هنا ، وهنا التقرير عن المقال.