Quanteninformation im Quantenbewusstsein

Es ist allgemein anerkannt, dass ein Doktorand Physiker einige wissenschaftliche Aufgaben nicht einmal mit der Spitze eines langen Speers berühren sollte - dies gilt insbesondere für Lücken in den Grundlagen der Quantentheorie. Diese Aufgaben sind so komplex, dass nicht die geringste Chance auf Fortschritt besteht. Diese Aufgaben sind so vage, dass es nicht die geringste Chance gibt, jemanden davon zu überzeugen, auf Fortschritte zu achten. Ein Beispiel für eine solche Aufgabe ist die Rolle der Quantenphysik bei der Bewusstseinsbildung.


Bildnachweis: dailygalaxy.com

Haftungsausschluss! Von einem Übersetzer: Ich habe diesen Beitrag übersetzt, um eine Idee zu finden. Das Konzept selbst ist ziemlich kontrovers und nicht alle Punkte sind im Original klar (oder unzureichend vollständig). Ich übernehme nicht die Verantwortung, das Original zu erfinden und einen Beitrag als Ausgangspunkt für Ihre Gedanken und Diskussionen zu hinterlassen.

Es gab bereits einen Beitrag über Habré über Fischers Idee, aber es ist immer interessant, Erklärungen von Schauspielern (Autoren) zu hören. Einige Orte werden angepasst, Links hinzugefügt.

Tatsächlich wissen wir, dass die Quantenphysik definitiv eine Rolle in unserem Geist spielt: Die Gesetze der Quantenphysik erlauben es Atomen, stabil zu bleiben, und zerfallene Atome können das Bewusstsein definitiv nicht beeinflussen.

Die meisten Physiker sind jedoch davon überzeugt, dass es im Gehirn keine nützliche Quantenverschränkung geben kann. Die Verschränkung manifestiert sich in Quantenkorrelationen zwischen Quantensystemen, die stärker sind als alle in klassischen Systemen erreichbaren. Verwicklungen nehmen in heißen, feuchten und lauten Umgebungen sehr schnell ab.
Und das Gehirn ist genau eine solche Umgebung. Stellen Sie sich vor, Sie setzen die verschränkten Moleküle A und B in das Gehirn einer Person ein. Wasser, Ionen und andere Partikel kollidieren mit diesen Molekülen. Je höher die Temperatur des Mediums ist, desto mehr Kollisionen. Partikel des Mediums werden durch elektromagnetische Wechselwirkung mit den Molekülen A und B verwickelt. Je mehr A mit der Umgebung verwickelt ist, desto weniger kann A mit B verwickelt bleiben . Letztendlich wird A leicht mit vielen Partikeln des Mediums verwechselt. Eine solch schwache Verschränkung kann jedoch nicht für einige nützliche Berechnungen verwendet werden. Es scheint also, dass die Quantenphysik das Bewusstsein wahrscheinlich nicht wesentlich beeinflusst.


Nicht anfassen

Mein Forschungsberater John Preskill schlug jedoch vor, darüber nachzudenken, ob ich an diesem Thema arbeiten möchte.

Probieren Sie ein völlig neues Thema aus ", sagte er," nutzen Sie die Chance. " Wenn es nicht klappt, okay. Trotzdem erwarten sie von Doktoranden nicht viel. Haben Sie Matthew Fischers Artikel über das Quantenbewusstsein gesehen?

Matthew Fisher ist theoretischer Physiker an der University of California in Santa Barbara. Er wird besonders für seine Arbeit an Supraleitern gelobt und verehrt. Vor ein paar Jahren interessierte sich Matthew für Biochemie. Er wusste natürlich, dass die meisten Physiker die Beteiligung von Quantenprozessen an der Bewusstseinsbildung bezweifeln. Aber was wäre, wenn dies nicht so wäre, dachte er, wie könnten sie teilnehmen? Ich dachte - und schrieb 2015 einen Artikel in den Annals of Physics, in dem ich mit Hilfe des Reverse Engineering eine Variante des Quantenbewusstseins vorschlug.

Ein Doktorand sollte in keinem Fall solche Aufgaben betreffen, selbst eine drei Meter lange Funkantenne, behauptet der gesunde Menschenverstand. Aber ich vertraue John Preskill wie kein anderer auf der Erde.
Ich werde mir den Artikel ansehen , sagte ich.



Matthew schlug vor, dass die Quantenphysik das Bewusstsein wie folgt beeinflussen kann ( ca. Per. Auch Artikel über Habré ). Experimentatoren haben bereits Quantencomputer mit einem einzigen heißen, nassen und zufälligen System durchgeführt: Kernspinresonanz (NMR) . NMR wird in der Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet, um Bilder des menschlichen Gehirns zu erhalten. Ein Standard-NMR-System besteht aus flüssigen Molekülen bei hoher Temperatur. Die Moleküle wiederum bestehen aus Atomen, deren Kerne eine Quanteneigenschaft besitzen, die als Spin bezeichnet wird . Spins von Kernen können Quanteninformation (CI) codieren.

Matthew argumentierte: Was könnte verhindern, dass die Spins der Kerne Quanteninformationen in unserem Gehirn speichern? Er stellte eine Liste von Dingen zusammen, die Quanteninformationen zerstören könnten, und kam zu dem Schluss, dass Wasserstoffionen die größte Bedrohung darstellen. Sie können sich durch eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung mit Spins verwickeln (und zur Dekohärenz führen ).

Wie kann Spin diese Bedrohung vermeiden? Zum Beispiel ein Spin der Größe Null das elektrische Quadrupolmoment des Kerns, Quadrupolwechselwirkungen können nicht zur Dekohärenz eines solchen Spins führen. Und in welchen Atomen in unserem Körper ist der Spin gleich ? In Wasserstoff und Phosphor. Nur Wasserstoff ist anfällig für andere Dekohärenzquellen, daher schloss Matthew, dass Phosphoratome CIs in unserem Gehirn speichern können, während die Spins des Phosphorkerns wie Qubits (Quantenbits) funktionieren.

Phosphor ist vor elektrischen Wechselwirkungen geschützt, aber was ist mit magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen? Solche Wechselwirkungen hängen von der Ausrichtung der Spins relativ zu ihrer Position im Raum ab. Wenn Phosphor Teil eines kleinen Moleküls ist, das in biologischer Flüssigkeit baumelt, ändert sich die Position des Kerns zufällig und im Durchschnitt ist die Wechselwirkung Null.

Neben Phosphor befinden sich in den Molekülen noch andere Atome. Die Kerne dieser Atome können mit dem Phosphorspin interagieren und dessen Quantenzustand zerstören. Dies wird nicht nur in einem Fall geschehen: Wenn alle Spins dieser Kerne gleich Null sind. In welchen Atomen im menschlichen Körper sind die Rückseiten des Kerns gleich Null? In Sauerstoff und Kalzium. So wird Phosphor vor Wechselwirkungen mit anderen Atomen in den Molekülen mit Kalzium und Sauerstoff geschützt.

Matthew schlug seine eigene Version eines Moleküls vor, das Phosphor vor Dekohärenz schützen würde. Und dann entdeckte ich, dass ein solches Molekül tatsächlich in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben ist. Molekül ein Posner-Cluster oder ein Posner-Molekül genannt (ich werde es kurz Posner nennen). Posner kann in künstlichen Biflüssigkeiten existieren - Flüssigkeiten, die geschaffen wurden, um Flüssigkeiten in uns zu simulieren. Es wird angenommen, dass Posners in unserem Körper existieren und an der Knochenbildung teilnehmen können. Matthew schätzt, dass Posners den Phosphorrücken 1-10 Tage lang vor Dekohärenz schützen kann.


Posner-Molekül (Bild mit freundlicher Genehmigung von Swift et al. )

Aber wie können Posners das Bewusstsein beeinflussen? Matthew schlug die folgende Option vor. Das Adenosintriphosphatmolekül (ATP) ist eine Energiequelle für biochemische Reaktionen. "Triphosphat" bedeutet, dass es drei Phosphationen enthält - Verbindungen bestehend aus einem Phosphoratom und drei Sauerstoffatomen. Zwei Phosphate können sich vom ATP-Molekül trennen, während sie miteinander verbunden bleiben.

Ein Phosphatpaar driftet, bis es auf ein Enzym namens Pyrophosphatase trifft. Dieses Enzym kann ein Phosphatpaar in zwei unabhängige Phosphate aufteilen. Gleichzeitig werden, wie Matthew vorschlug, zusammen mit Leo Rajihovsky die Spins der Phosphorkerne in einen Singulettzustand projiziert Dies ist ein Zustand mit maximaler Verwirrung.

Stellen Sie sich viele Phosphate in Biofluiden vor. Sechs Phosphate können sich mit neun Calciumionen zu einem Posner-Molekül verbinden. Jeder Posner kann sechs gemeinsame Singles mit anderen Poznern haben - so bilden sich ganze Wolken verschränkter Posner-Moleküle.
Ein Haufen Posner kann in ein Neuron gelangen, während ein anderer Haufen in ein anderes Neuron gelangt. Posner können mit dem VGLUT- Protein (BNPI) über Zellmembranen übertragen werden. So sind auch zwei Neuronen verwirrt. Stellen Sie sich zwei Posner vor, P und Q, die im Neuron N konvergieren. Berechnungen der Quantenchemie zeigen, dass diese Posner miteinander kombiniert werden können. Angenommen, P war mit Posner P ' in Neuron N' verwickelt. Wenn P und Q im Neuron N kombiniert werden, erhöht die Verschränkung zwischen P und P ' die Wahrscheinlichkeit, P' und Q 'zu kombinieren.

United Posners werden sich langsam bewegen - sie müssen den Widerstand des Wassers überwinden. Wasserstoff und Magnesium können Kalzium in Posner ersetzen und Moleküle brechen. Negativ geladene Phosphate ziehen positiv geladene an und , genau wie Phosphate anziehen . Das freigesetzte Kalzium füllt die N- und N'-Neuronen. Eine Erhöhung der Calciumkonzentration führt zum Auftreten eines chemischen Potentials am Axon und zur Freisetzung von Neurotransmittern, die ein Signal zwischen zwei Neuronen übertragen. Wenn zwei Neuronen N und N 'durch Posner-Moleküle verwickelt sind, können sich zwei Neuronen gleichzeitig entzünden.



Wir wissen nicht, ob der von Matthäus vorgeschlagene Mechanismus in unserem Gehirn funktioniert. Letztes Jahr stellte die Heising-Simons-Stiftung Matthew und seinen Kollegen 1,2 Millionen US-Dollar für Experimente zur Verfügung.

John Preskill sagte mir: Zum Beispiel ist Matthews Idee zumindest teilweise wahr und Posners Moleküle können wirklich Quanteninformationen speichern. Quantensysteme verarbeiten Informationen anders als klassische Systeme. Wie schnell kann Posner Quanteninformationen verarbeiten?
Ich warf meinen Speer im fünften Jahr der Graduiertenschule und ging von Caltech für ein fünfmonatiges Praktikum, nachdem ich geschworen hatte, mit einem Artikel zurückzukehren, der Johns Frage beantwortete. Und so tat ich es: Der Artikel wurde diesen Monat in den Annals of Physics veröffentlicht .



Zum Glück konnte ich Elizabeth Crosson für mein Projekt interessieren. Elizabeth, jetzt Assistenzprofessorin an der Universität von New Mexico, war damals Postdoc in Johns Gruppe. Wir haben uns beide mit der Theorie der Quanteninformation befasst, aber unsere Qualifikationen, Fähigkeiten und Stärken waren unterschiedlich. Wir ergänzten uns und besaßen die gleiche Hartnäckigkeit, die uns zwang, Tag und Nacht weiterhin Briefe zu senden und Nachrichten auszutauschen.

Elizabeth und ich übersetzten Matthews Ideen aus der Sprache der Biochemie in die mathematische Sprache der CI-Theorie. Wir haben Matthews Erzählung in eine Folge von biochemischen Schritten unterteilt und herausgefunden, wie jeder dieser Schritte den in Phosphorkernen aufgezeichneten CI umwandelt. Wir haben jede Transformation in Form einer Gleichung und eines Elements eines Flussdiagramms dargestellt (Flussdiagrammelemente sind Bilder, die zusammen erstellt werden können, um Schaltkreise mit Arbeitsalgorithmen zu erstellen). Wir haben diesen Satz von Transformationen Posner-Operationen genannt.

Stellen Sie sich vor, Sie können Posner-Operationen durchführen, indem Sie Moleküle vorbereiten, versuchen, sie zu verbinden usw. Wie können Sie mit CI mit solchen Operationen umgehen? Elizabeth und ich haben Anwendungen in den Bereichen Quantennachrichten, Quantenfehleraufzeichnung und Quantencomputer gefunden. Unsere Ergebnisse basieren auf einer - möglicherweise falschen - Annahme, dass Matthew die richtigen Schlussfolgerungen gezogen hat. Wir haben charakterisiert, was Pozners erreichen können, wenn sie aktiv verwaltet werden, obwohl zufällige Einflüsse sie in biologische Flüssigkeiten lenken würden. Dies ist jedoch zumindest ein guter Ausgangspunkt für weitere Forschungen.

Wir haben mehrere CI-Effekte gefunden, die mit Posner-Molekülen realisiert werden können. Erstens kann KI von einem Posner zum anderen teleportiert werden, aber es entsteht Rauschen. Seine Natur liegt in der effektiven Dimension, die Posner in Kombination aufeinander ausübt. Diese Dimension transformiert den Unterraum des Hilbert-Raums zweier Posner durch die grobe Bell-Dimension. Die Bell-Messung ergibt eines von vier möglichen Ergebnissen oder zwei Bits. Wenn eines der Bits verworfen wird, ist das Messergebnis grob. Die Quantenteleportation erfordert eine Bell-Messung, und eine Vergröberung dieser Messung führt zu Rauschen.

Diese verrauschte Teleportation wird auch als superdichte Codierung bezeichnet . Ein Bit ist ein Zufallsparameter, der einen von zwei Werten annimmt, und „trit“ ist ein Zufallsparameter, der einen von drei möglichen Werten annehmen kann. Ein Trit kann durch Verschränkung effektiv von einem Posner zu einem anderen teleportiert werden, wenn ein Bit direkt zwischen ihnen übertragen wird.



Zweitens argumentierte Matthew, dass die Posner-Struktur CI vor Dekohärenz schützt. Wissenschaftler haben Fehlerkorrektur- und Erkennungsprogramme entwickelt , um CI vor Dekohärenz zu schützen. Kann Pozner solche Programme in unserem Modell realisieren? Es stellt sich heraus, dass ja: Elizabeth und ich (mit Hilfe des ehemaligen Post- Docs von Caltech Fernando Pastavsky ) ein Programm zur Erkennung von Fehlern entwickelt haben, die bei Posner funktionieren können. Ein Posner codiert einen logischen Kutrit (Quantenversion des Trits), und der Code erkennt jeden Fehler, der in einem der sechs Qubits in Pozner auftritt.

Drittens, wie komplex kann ein Quantenzustand sein, der mit Posner-Operationen hergestellt werden kann? Ziemlich kompliziert, wie wir festgestellt haben: Angenommen, Sie können diesen Zustand lokal messen, damit die Ergebnisse früherer Messungen die Messungen in Zukunft beeinflussen. Sie können jede Quantenberechnung durchführen. Das heißt, mit der Posner-Operation können Sie einen Zustand vorbereiten, mit dem ein universeller Quantencomputer erstellt werden kann .

Schließlich fanden wir eine numerische Schätzung der Auswirkung der Verschränkung auf die Posner-Assoziationsrate. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei Posner P und P 'hergestellt, die nur mit anderen Partikeln verwechselt werden. Wenn sich Posners der richtigen Ausrichtung nähern, beträgt die Wahrscheinlichkeit ihrer Assoziation in unserem Modell 33,6%. Und wenn jedes Qubit in P maximal mit einem Qubit in P 'verwechselt wird, steigt die Wahrscheinlichkeit der Kombination auf 100%.


Elizabeth und ich präsentieren den von Matthew in einem Artikel von 2015 beschriebenen Prozess als Flussdiagramme.

Ich hatte Angst, dass andere Wissenschaftler unsere Arbeit als verrückt verspotten würden. Zu meiner Überraschung wurde sie begeistert aufgenommen: Ihre Kollegen lobten das Risiko der Forschung in eine neue Richtung. Darüber hinaus ist unsere Arbeit überhaupt nicht verrückt: Wir behaupten nicht, dass die Quantenphysik das Bewusstsein beeinflusst. Wir bauen auf Matthews Annahmen auf und stellen fest, dass sie möglicherweise falsch sind, und untersuchen die Konsequenzen seiner Annahmen. Wir sind weder Biochemiker noch Experimentatoren, daher beschränken wir uns auf Aussagen in der Theorie der CI.

Pozner ist möglicherweise nicht in der Lage, die Kohärenz lange genug aufrechtzuerhalten, um Quanteneffekte bei der Informationsverarbeitung zu verwenden. Werden Matthews Fehler unserer Forschung ein Ende setzen? Nein. Posner veranlasste uns zu Ideen und Fragen in der Theorie der CI. Zum Beispiel veranschaulichen unsere Quantenschaltungen Wechselwirkungen (einheitliche Gates) und Messungen, die durch Kombination von Pozners durchgeführt wurden. Diese Programme haben teilweise zur Entstehung eines neuen Forschungsfeldes geführt, das im vergangenen Sommer entstanden ist und jetzt an Dynamik gewinnt. Nehmen wir zufällige einheitliche Tore, die mit Messungen durchsetzt sind. Einheitliche Wechselwirkungen verwickeln Qubits und Dimensionen zerstören die Verschränkung. Welcher der Einflüsse wird bedeutender sein? Wird das System bei einer bestimmten Messfrequenz von einem Zustand "weitgehend verwirrt" zu "weitgehend verwirrt" wechseln? Forscher aus Santa Barbara und Colorado ; MIT; Oxford ; Lancaster, Großbritannien ; Berkeley; Stanford und Princeton ging dieses Problem an.

Der angehende Physiker sollte, wie allgemein angenommen wird, das Quantenbewusstsein auch mit der Hellebarde der Schweizer Garde nicht berühren. Aber ich bin froh, dass ich es versucht habe: Ich habe viel gelernt, einen Beitrag zur Wissenschaft geleistet und es war ein Abenteuer. Und wenn jemand eine solche Unverschämtheit nicht gutheißt, kann ich John Preskill die Schuld geben.

Den Artikel „Quanteninformation im Posner-Modell der Quantenkognition“ finden Sie hier . Die Version für arXiv ist hier und hier ist der Bericht zum Artikel.