L'information quantique dans la conscience quantique

Il est généralement admis qu'un étudiant physicien diplômé ne devrait pas aborder certains problèmes scientifiques même avec la pointe d'une longue lance - cela s'applique en particulier aux lacunes dans les fondements de la théorie quantique. Ces tâches sont si complexes qu'il n'y a pas la moindre chance de progrès. Ces tâches sont si vagues qu'il n'y a aucune chance de convaincre qui que ce soit de prêter attention aux progrès. Un exemple d'une telle tâche est le rôle de la physique quantique dans la formation de la conscience.


Crédit: dailygalaxy.com

Clause de non-responsabilité! De la part d'un traducteur: J'ai traduit ce message dans le but de trouver une idée. Le concept lui-même est assez controversé, et tous les points ne sont pas clairs (ou insuffisamment complets) dans l'original. Je ne prends pas la responsabilité d'inventer l'original et de laisser un post comme point de départ pour vos réflexions et discussions.

Il y avait déjà un article sur Habré à propos de l’idée de Fisher, mais il est toujours intéressant d’entendre les explications des acteurs (auteurs). Certains lieux sont adaptés, des liens sont ajoutés.

En fait, nous savons que la physique quantique joue certainement un rôle dans notre esprit: les lois de la physique quantique permettent aux atomes de rester stables, et les atomes en décomposition ne seront certainement pas en mesure d'influencer la conscience.

Mais la plupart des physiciens sont convaincus que l'intrication quantique utile ne peut pas exister dans le cerveau. L'intrication se manifeste dans les corrélations quantiques entre les systèmes quantiques, qui sont plus fortes que celles réalisables dans les systèmes classiques. L'enchevêtrement se désintègre très rapidement dans les environnements chauds, humides et bruyants.
Et le cerveau est exactement un tel environnement. Imaginez que vous mettiez les molécules enchevêtrées A et B dans le cerveau de quelqu'un. L'eau, les ions et autres particules entreront en collision avec ces molécules. Plus la température du milieu est élevée, plus il y a de collisions. Les particules du milieu s'emmêleront avec les molécules A et B par interaction électromagnétique. Plus A s'emmêle avec l'environnement, moins A peut rester enchevêtré avec B. En fin de compte, A sera légèrement confondu avec de nombreuses particules du milieu. Mais un enchevêtrement aussi faible ne peut pas être utilisé pour certains calculs utiles. Il semble donc qu'il est peu probable que la physique quantique affecte de manière significative la conscience.


Ne touche pas

Cependant, mon conseiller à la recherche, John Preskill , a suggéré de réfléchir si je serais intéressé à travailler sur ce sujet.

Essayez un tout nouveau sujet » , a- t-il dit,« tentez votre chance. » Si cela ne fonctionne pas, d'accord. Ils n'attendent cependant pas grand-chose des étudiants diplômés. Avez-vous vu l'article de Matthew Fisher sur la conscience quantique?

Matthew Fisher est physicien théoricien à l'Université de Californie à Santa Barbara. Il est loué et vénéré, en particulier pour son travail sur les supraconducteurs . Il y a quelques années, Matthew s'est intéressé à la biochimie. Il savait, bien sûr, que la plupart des physiciens doutent de la participation des processus quantiques à la formation de la conscience. Mais si ce n'était pas le cas, pensa-t-il, comment pourraient-ils participer? J'ai pensé - et en 2015 j'ai écrit un article dans les Annals of Physics, dans lequel, en utilisant le développement inverse, j'ai proposé une variante de la conscience quantique.

Un étudiant diplômé ne doit en aucun cas se préoccuper de telles tâches, même une antenne radio de trois mètres, affirme le bon sens. Mais je fais confiance à John Preskill comme aucun autre sur Terre.
Je vais regarder l'article , dis-je.



Matthew a suggéré que la physique quantique peut influencer la conscience comme suit ( environ Per. Aussi un article sur Habré ). Les expérimentateurs ont déjà fait de l'informatique quantique en utilisant un système chaud, humide et aléatoire: la résonance magnétique nucléaire (RMN) . La RMN est utilisée en imagerie par résonance magnétique (IRM) pour obtenir des images du cerveau humain. Un système RMN standard est constitué de molécules liquides à haute température. Les molécules, à leur tour, sont composées d'atomes, dont les noyaux possèdent une propriété quantique appelée spin . Les spins de noyaux peuvent coder des informations quantiques (IC).

Matthew a raisonné: qu'est-ce qui pourrait empêcher les spins des noyaux de stocker des informations quantiques dans notre cerveau? Il a compilé une liste de choses qui pourraient détruire des informations quantiques et a conclu que les ions hydrogène constituent la plus grande menace. Ils peuvent s'emmêler avec des spins (et conduire à la décohérence ) par une interaction dipôle - dipôle .

Comment le spin peut-il éviter cette menace? Par exemple, un tour de magnitude zéro le moment quadripolaire électrique du noyau; les interactions quadripolaires ne peuvent pas conduire à la décohérence d'un tel spin. Et dans quels atomes dans notre corps le spin est égal ? Dans l'hydrogène et le phosphore. Seul l'hydrogène est sensible à d'autres sources de décohérence, donc Matthew a conclu que les atomes de phosphore peuvent stocker des CI dans notre cerveau, tandis que les spins du noyau de phosphore fonctionnent comme des qubits (bits quantiques).

Le phosphore est protégé des interactions électriques, mais qu'en est-il des interactions magnétiques dipôle-dipôle? Ces interactions dépendent de l'orientation des spins par rapport à leur position dans l'espace. Si le phosphore fait partie d'une petite molécule suspendue dans un liquide biologique, la position du noyau change de façon aléatoire et l'interaction sera en moyenne nulle.

Il y a d'autres atomes dans les molécules en plus du phosphore. Les noyaux de ces atomes peuvent interagir avec le spin du phosphore et détruire son état quantique. Cela ne se produira pas dans un seul cas: lorsque tous les spins de ces noyaux sont égaux à zéro. Dans quels atomes du corps humain le dos du noyau est-il égal à zéro? Dans l'oxygène et le calcium. Le phosphore sera donc protégé de l'interaction avec d'autres atomes dans les molécules avec le calcium et l'oxygène.

Matthew a proposé sa propre version d'une molécule qui protégerait le phosphore de la décohérence. Et puis j'ai découvert qu'une telle molécule est en effet décrite dans la littérature scientifique. Molécule appelé un cluster Posner ou une molécule Posner (je l'appellerai Posner pour faire court). Posner peut exister dans des bi-fluides artificiels - des fluides créés pour simuler des fluides en nous. On pense que les Posners peuvent exister dans notre corps et participer à la formation osseuse. Matthew estime que Posners peut protéger les dos de phosphore de la décohérence pendant 1 à 10 jours.


Molécule de Posner (image gracieuseté de Swift et al. )

Mais comment les Posners peuvent-ils affecter la conscience? Matthew a proposé l'option suivante. La molécule d'adénosine triphosphate (ATP) est une source d'énergie pour les réactions biochimiques. "Triphosphate" signifie qu'il contient trois ions phosphate - composés composé d'un atome de phosphore et de trois atomes d'oxygène. Deux phosphates peuvent se séparer de la molécule ATP, tout en restant connectés les uns aux autres.

Une paire de phosphates dérivera jusqu'à ce qu'elle rencontre une enzyme appelée pyrophosphatase. Cette enzyme peut diviser une paire de phosphates en deux phosphates indépendants. De plus, comme Matthew l'a suggéré, avec Leo Rajihovsky , les spins des noyaux de phosphore sont projetés dans un état singulet , qui est un état de confusion maximale.

Imaginez beaucoup de phosphates dans les biofluides. Six phosphates peuvent se combiner avec neuf ions calcium pour former une molécule de Posner. Chaque Posner peut avoir six singles communs avec d'autres Pozners - c'est ainsi que se forment des nuages ​​entiers de molécules de Posner enchevêtrées.
Un tas de Posner peut pénétrer dans un neurone, tandis qu'un autre tas - dans un autre neurone. Les poseurs peuvent être transférés à travers les membranes cellulaires avec la protéine VGLUT (BNPI). Donc, deux neurones sont également confondus. Imaginez deux Posners, P et Q, convergeant dans le neurone N. Les calculs de chimie quantique montrent que ces Posners peuvent se combiner. Supposons que P soit emmêlé avec Posner P ' dans le neurone N' . Si P et Q sont combinés dans le neurone N , l'intrication entre P et P ' augmentera la probabilité de combiner P' et Q ' .

United Posners évoluera lentement - ils devront surmonter la résistance de l'eau. L'hydrogène et le magnésium peuvent remplacer le calcium dans Posner, brisant les molécules. Les phosphates chargés négativement attireront les chargés positivement et , tout comme les phosphates attirent . Le calcium libéré remplira les neurones N et N '. Une augmentation de la concentration en calcium entraîne l'apparition d'un potentiel chimique sur l'axone et la libération de neurotransmetteurs qui transmettent un signal entre deux neurones. Si deux neurones N et N 'sont enchevêtrés à travers des molécules de Posner, deux neurones peuvent s'enflammer simultanément.



Nous ne savons pas si le mécanisme suggéré par Matthieu fonctionne dans notre cerveau. Cependant, l'année dernière, la Fondation Heising-Simons a alloué 1,2 million de dollars à Matthew et ses collègues pour des expériences.

John Preskill m'a dit: par exemple, l'idée de Matthew est au moins partiellement vraie, et les molécules de Posner peuvent vraiment stocker des informations quantiques. Les systèmes quantiques traitent l'information différemment des systèmes classiques. À quelle vitesse Posner peut-il traiter les informations quantiques?
J'ai jeté ma lance en cinquième année d'études supérieures et je suis allé de Caltech pour un stage de cinq mois, ayant juré de revenir avec un article répondant à la question de John. Et c'est ce que j'ai fait: l' article a été publié dans les Annals of Physics ce mois-ci.



Heureusement, j'ai pu intéresser Elizabeth Crosson à mon projet. Elizabeth, maintenant professeur adjoint à l'Université du Nouveau-Mexique, était alors postdoctorante dans le groupe de John. Nous avons tous les deux abordé la théorie de l'information quantique, mais nos qualifications, capacités et forces variaient. Nous nous complétions, possédant la même obstination, ce qui nous obligeait à continuer à envoyer des lettres et à échanger des messages jour et nuit.

Elizabeth et moi avons traduit les idées de Matthew du langage de la biochimie dans le langage mathématique de la théorie des CI. Nous avons divisé le récit de Matthew en une séquence d'étapes biochimiques et découvert comment chacune de ces étapes convertira l'IC enregistré dans les noyaux de phosphore. Nous avons présenté chaque transformation sous la forme d'une équation et d'un élément d'un organigramme (les éléments de l'organigramme sont des images qui peuvent être créées ensemble pour créer des circuits d'algorithmes de travail). Nous avons appelé cet ensemble de transformations des opérations Posner.

Imaginez que vous pouvez effectuer des opérations Posner en préparant des molécules, en essayant de les connecter, etc. Comment pouvez-vous gérer CI avec de telles opérations? Elizabeth et moi avons trouvé des applications dans la messagerie quantique, l'enregistrement d'erreur quantique et l'informatique quantique. Nos résultats sont basés sur une hypothèse - peut-être erronée - que Matthew a tiré les bonnes conclusions. Nous avons caractérisé ce que les Pozner peuvent réaliser s'ils sont gérés activement, bien que des influences aléatoires les dirigeraient dans les fluides biologiques. Mais c'est au moins un bon point de départ pour de nouvelles recherches.

Nous avons trouvé plusieurs effets CI qui peuvent être réalisés avec des molécules Posner. Premièrement, KI peut être téléporté d'un Posner à un autre, mais du bruit se fait sentir. Sa nature réside dans la dimension effective que Posner joue les uns sur les autres lorsqu'elle est combinée. Cette dimension transforme le sous-espace de l'espace de Hilbert de deux Posners à travers la dimension brute de Bell. La mesure de Bell donne l'un des quatre résultats possibles, ou deux bits. Si l'un des bits est ignoré, le résultat de la mesure sera grossier. La téléportation quantique nécessite une mesure de Bell, et grossir cette mesure conduit au bruit.

Cette téléportation bruyante est également appelée codage super dense . Un bit est un paramètre aléatoire qui prend l'une des deux valeurs et «trit» est un paramètre aléatoire qui peut prendre l'une des trois valeurs possibles. Un trit peut être effectivement téléporté d'un Posner à un autre en utilisant l'intrication si un bit est directement transmis entre eux.



Deuxièmement, Matthew a soutenu que la structure Posner protège l'IC de la décohérence. Les scientifiques ont développé des programmes de correction et de détection des erreurs pour protéger l'IC de la décohérence. Pozner peut-il réaliser de tels programmes dans notre modèle? Il s'avère que oui: Elizabeth et moi (avec l'aide d'un ancien post-doc de Caltech Fernando Pastavsky ) avons développé un programme pour détecter les erreurs pouvant fonctionner sur Posner. Un Posner code un kutrit logique (version quantique du trit), et le code détecte toute erreur qui se produit dans l'un des six qubits de Pozner.

Troisièmement, dans quelle mesure un état quantique peut-il être préparé à l'aide d'opérations Posner? Assez compliqué, comme nous l'avons découvert: supposons que vous puissiez mesurer cet état localement afin que les résultats des mesures précédentes influencent les mesures à l'avenir. Vous pouvez faire n'importe quel calcul quantique. Autrement dit, l'opération Posner vous permet de préparer un état qui peut être utilisé pour créer un ordinateur quantique universel .

Enfin, nous avons trouvé une estimation numérique de l'effet de l'intrication sur le taux d'association de Posner. Imaginez que vous avez préparé deux Posner P et P ', qui ne sont confondus qu'avec d'autres particules. Si les Posners se rapprochent de l'orientation correcte, la probabilité de leur association dans notre modèle est de 33,6%. Et si chaque qubit de P est confondu au maximum avec un qubit de P ', la probabilité de combinaison augmente à 100%.


Elizabeth et moi présentons le processus décrit par Matthew dans un article de 2015 sous forme d'organigrammes.

J'avais peur que d'autres scientifiques ridiculisent notre travail comme un fou. À ma grande surprise, elle a été accueillie avec enthousiasme: ses collègues ont salué le caractère risqué de la recherche dans une nouvelle direction. De plus, notre travail n'est pas du tout fou: nous ne prétendons pas que la physique quantique affecte la conscience. Nous nous appuyons sur les hypothèses de Matthew, notant qu’elles peuvent être erronées, et examinons les conséquences de ses hypothèses. Nous ne sommes ni biochimistes, ni expérimentateurs, nous nous limitons donc aux énoncés de la théorie de l'IC.

Pozner peut ne pas être en mesure de maintenir la cohérence suffisamment longtemps pour utiliser les effets quantiques dans le traitement de l'information. Les erreurs de Matthew mettront-elles fin à nos recherches? Non. Posner nous a incités à des idées et des questions dans la théorie de l'IC. Par exemple, nos circuits quantiques illustrent les interactions (portes unitaires) et les mesures effectuées en combinant Pozners. Ces projets ont en partie motivé l'émergence d'un nouveau domaine de recherche qui a vu le jour l'été dernier et prend maintenant de l'ampleur. Prenons des portes unitaires aléatoires entrecoupées de mesures. Les interactions unitaires embrouillent les qubits et les dimensions détruisent l'intrication. Laquelle des influences sera la plus importante? Le système passera-t-il d'un état «largement confus» à «largement confus» à une fréquence de mesure donnée? Chercheurs de Santa Barbara et du Colorado ; MIT; Oxford ; Lancaster, Royaume-Uni ; Berkeley; Stanford et Princeton a abordé cette question.

L'aspirant physicien, comme on le croit généralement, ne devrait pas toucher à la conscience quantique, même avec la hallebarde de la garde suisse. Mais je suis content d'avoir essayé: j'ai beaucoup appris, apporté une contribution à la science, et c'était une aventure. Et si quelqu'un n'approuve pas une telle impudence, je peux blâmer John Preskill.

L'article «L'information quantique dans le modèle Posner de la cognition quantique» peut être trouvé ici . La version pour arXiv est ici , et voici le rapport sur l'article.