Informasi kuantum dalam kesadaran kuantum

Secara umum diterima bahwa seorang ahli fisika mahasiswa pascasarjana tidak boleh menyentuh beberapa masalah ilmiah bahkan dengan ujung tombak yang panjang - ini berlaku khususnya untuk kesenjangan dalam dasar-dasar teori kuantum. Tugas-tugas ini sangat kompleks sehingga tidak ada peluang sedikitpun untuk kemajuan. Tugas-tugas ini sangat samar sehingga tidak ada peluang sedikit pun untuk meyakinkan siapa pun untuk memperhatikan kemajuan. Contoh dari tugas tersebut adalah peran fisika kuantum dalam pembentukan kesadaran.


Kredit: dailygalaxy.com

Penafian! Dari seorang penerjemah: Saya menerjemahkan posting ini dalam upaya untuk mencari tahu ide. Konsep itu sendiri cukup kontroversial, dan tidak semua poin jelas (atau tidak cukup lengkap) dalam aslinya. Saya tidak bertanggung jawab untuk menciptakan yang asli dan meninggalkan pos sebagai titik awal untuk pemikiran dan diskusi Anda.

Sudah ada posting di Habré tentang ide Fisher, tetapi selalu menarik untuk mendengar penjelasan dari aktor (penulis). Beberapa tempat disesuaikan, tautan ditambahkan.

Faktanya, kita tahu bahwa fisika kuantum pasti memainkan peran dalam pikiran kita: hukum fisika kuantum memungkinkan atom tetap stabil, dan atom yang membusuk pasti tidak akan dapat memengaruhi kesadaran.

Tetapi sebagian besar fisikawan yakin bahwa keterikatan kuantum yang berguna tidak ada di otak. Keterjeratan dimanifestasikan dalam korelasi kuantum antara sistem kuantum, yang lebih kuat daripada yang dapat dicapai dalam sistem klasik. Keterikatan meluruh dengan sangat cepat di lingkungan yang panas, lembab, dan bising.
Dan otak hanyalah lingkungan seperti itu. Bayangkan Anda memasukkan molekul A dan B yang terjerat ke dalam otak seseorang. Air, ion, dan partikel lainnya akan bertabrakan dengan molekul-molekul ini. Semakin tinggi suhu medium, semakin banyak tabrakan. Partikel media akan menjadi terjerat dengan molekul A dan B melalui interaksi elektromagnetik. Semakin banyak A terjerat dengan lingkungan, semakin sedikit A dapat tetap terjerat dengan B. Pada akhirnya, A akan sedikit bingung dengan banyak partikel medium. Tetapi keterikatan yang lemah seperti itu tidak dapat digunakan untuk beberapa perhitungan yang bermanfaat. Jadi sepertinya fisika kuantum tidak mungkin mempengaruhi kesadaran secara signifikan.


Jangan disentuh

Namun, penasihat riset saya, John Preskill , menyarankan untuk memikirkan apakah saya akan tertarik untuk mengerjakan topik ini.

Coba topik yang sama sekali baru, "katanya," ambil kesempatan. " Jika tidak berhasil, oke. Semua sama, mereka tidak berharap banyak dari mahasiswa pascasarjana. Pernahkah Anda melihat artikel Matthew Fisher tentang kesadaran kuantum?

Matthew Fisher adalah seorang ahli fisika teori di Universitas California di Santa Barbara. Dia dipuji dan dihormati, terutama untuk karyanya di superkonduktor . Beberapa tahun yang lalu, Matthew tertarik pada biokimia. Dia tahu, tentu saja, bahwa sebagian besar fisikawan meragukan partisipasi proses kuantum dalam pembentukan kesadaran. Tetapi bagaimana jika ini tidak terjadi, pikirnya, bagaimana mereka dapat berpartisipasi? Saya pikir - dan pada 2015 saya menulis sebuah artikel di Annals of Physics, di mana, dengan menggunakan perkembangan terbalik, saya mengusulkan varian kesadaran kuantum.

Seorang mahasiswa pascasarjana dalam hal apapun tidak boleh menyangkut tugas-tugas tersebut, bahkan antena radio tiga meter, mengklaim akal sehat. Tapi saya percaya John Preskill tidak seperti yang lain di Bumi.
Saya akan melihat artikelnya , kataku.



Matthew menyarankan bahwa fisika kuantum dapat memengaruhi kesadaran sebagai berikut ( kira-kira Per. Juga artikel tentang Habré ). Eksperimen telah melakukan komputasi kuantum menggunakan satu sistem panas, basah, dan acak: resonansi magnetik nuklir (NMR) . NMR digunakan dalam magnetic resonance imaging (MRI) untuk mendapatkan gambar otak manusia. Sistem NMR standar terdiri dari molekul cair pada suhu tinggi. Molekul-molekul, pada gilirannya, terdiri dari atom-atom, yang nukleusnya memiliki sifat kuantum yang disebut spin . Putaran inti dapat menyandikan informasi kuantum (CI).

Matthew beralasan: apa yang bisa mencegah spin inti menyimpan informasi kuantum di otak kita? Dia menyusun daftar hal-hal yang dapat menghancurkan informasi kuantum, dan menyimpulkan bahwa ion hidrogen menimbulkan ancaman terbesar. Mereka dapat menjadi terjerat dengan spin (dan mengarah ke decoherence ) melalui interaksi dipol - dipol .

Bagaimana spin dapat menghindari ancaman ini? Misalnya, putaran besarnya nol momen quadrupole listrik dari nukleus, interaksi quadrupole tidak dapat menyebabkan dekoherensi putaran semacam itu. Dan dalam apa atom dalam tubuh kita spin sama dengan ? Dalam hidrogen dan fosfor. Hanya hidrogen yang rentan terhadap sumber dekoherensi lain, sehingga Matthew sampai pada kesimpulan bahwa atom-atom fosfor dapat menyimpan CI di otak kita, sementara spin inti nukleus fosfor bekerja seperti qubit (bit kuantum).

Fosfor dilindungi dari interaksi listrik, tetapi bagaimana dengan interaksi dipol-dipol magnetik? Interaksi seperti itu tergantung pada orientasi putaran relatif terhadap posisi mereka di ruang angkasa. Jika fosfor adalah bagian dari molekul kecil yang menggantung dalam cairan biologis, posisi nukleus berubah secara acak, dan rata-rata interaksi akan menjadi nol.

Ada atom lain dalam molekul selain fosfor. Inti atom-atom ini dapat berinteraksi dengan spin fosfor, dan menghancurkan keadaan kuantumnya. Ini tidak akan terjadi hanya dalam satu kasus: ketika semua putaran inti ini sama dengan nol. Di mana atom-atom dalam tubuh manusia adalah punggung nukleus sama dengan nol? Dalam oksigen dan kalsium. Jadi fosfor akan terlindungi dari interaksi dengan atom lain dalam molekul dengan kalsium dan oksigen.

Matthew mengusulkan versinya sendiri tentang molekul yang akan melindungi fosfor dari dekoherensi. Dan kemudian saya menemukan bahwa molekul seperti itu memang dijelaskan dalam literatur ilmiah. Molekul disebut cluster Posner atau molekul Posner (singkatnya saya akan menyebutnya Posner). Posner dapat ada dalam cairan bi-buatan - cairan yang dibuat untuk mensimulasikan cairan dalam diri kita. Dipercaya bahwa Posners dapat ada di tubuh kita dan berperan serta dalam pembentukan tulang. Matthew memperkirakan bahwa Posners dapat melindungi punggung fosfor dari dekoherensi selama 1-10 hari.


Molekul posner (gambar milik Swift et al. )

Tetapi bagaimana Posners dapat memengaruhi kesadaran? Matius mengusulkan opsi berikut. Molekul adenosin trifosfat (ATP) adalah sumber energi untuk reaksi biokimia. "Triphosphate" berarti mengandung tiga ion fosfat - senyawa terdiri dari satu atom fosfor dan tiga atom oksigen. Dua fosfat dapat terpisah dari molekul ATP, sambil tetap terhubung satu sama lain.

Sepasang fosfat akan melayang sampai bertemu dengan enzim yang disebut pyrophosphatase. Enzim ini dapat membagi sepasang fosfat menjadi dua fosfat independen. Pada saat yang sama, seperti yang disarankan Matius, bersama dengan Leo Rajihovsky , putaran inti fosfor diproyeksikan menjadi keadaan singlet , yang merupakan keadaan dengan kebingungan maksimal.

Bayangkan banyak fosfat dalam biofluida. Enam fosfat dapat bergabung dengan sembilan ion kalsium untuk membentuk molekul Posner. Setiap Posner dapat memiliki enam single yang sama dengan Pozner lainnya - inilah bagaimana seluruh awan molekul Posner terjerat.
Satu tandan Posner dapat masuk ke satu neuron, sedangkan tandan lainnya - masuk ke neuron lain. Posners dapat ditransfer melintasi membran sel dengan protein VGLUT (BNPI). Jadi dua neuron juga bingung. Bayangkan dua Posners, P dan Q, berkumpul di neuron N. Perhitungan kimia kuantum menunjukkan bahwa Posners ini dapat bergabung satu sama lain. Misalkan P terjerat dengan Posner P ' di neuron N' . Jika P dan Q digabungkan dalam neuron N , keterikatan antara P dan P ' akan meningkatkan kemungkinan menggabungkan P' dan Q ' .

United Posners akan bergerak perlahan - mereka harus mengatasi hambatan air. Hidrogen dan magnesium dapat menggantikan kalsium dalam Posner, menghancurkan molekul. Fosfat yang bermuatan negatif akan menarik muatan positif dan , seperti halnya fosfat menarik . Kalsium yang dilepaskan akan mengisi neuron N dan N '. Peningkatan konsentrasi kalsium menyebabkan munculnya potensi kimiawi pada akson dan pelepasan neurotransmiter yang mentransmisikan sinyal antara dua neuron. Jika dua neuron N dan N 'terjerat melalui molekul Posner, dua neuron dapat terbakar secara bersamaan.



Kita tidak tahu apakah mekanisme yang disarankan oleh Matius bekerja di otak kita. Namun, tahun lalu Heising-Simons Foundation mengalokasikan $ 1,2 juta untuk Matthew dan rekannya untuk percobaan.

John Preskill mengatakan kepada saya: misalnya, ide Matthew setidaknya sebagian benar, dan molekul Posner benar-benar dapat menyimpan informasi kuantum. Sistem kuantum memproses informasi secara berbeda dari sistem klasik. Seberapa cepat Posner dapat memproses informasi kuantum?
Saya melemparkan tombak saya di tahun kelima sekolah pascasarjana, dan pergi dari Caltech untuk magang selama lima bulan, setelah bersumpah untuk kembali dengan sebuah artikel yang menjawab pertanyaan John. Dan begitulah yang saya lakukan: artikel itu diterbitkan dalam Annals of Physics bulan ini.



Untungnya, saya dapat menarik minat Elizabeth Crosson dalam proyek saya. Elizabeth, sekarang menjadi asisten profesor di Universitas New Mexico, saat itu menjadi postdoc dalam kelompok John. Kami berdua berurusan dengan teori informasi kuantum, tetapi kualifikasi, kemampuan, dan kekuatan kami beragam. Kami saling melengkapi, memiliki ketegaran yang sama, yang memaksa kami untuk terus mengirim surat dan bertukar pesan siang dan malam.

Elizabeth dan saya menerjemahkan gagasan Matius dari bahasa biokimia ke dalam bahasa matematika teori CI. Kami membagi narasi Matthew menjadi urutan langkah biokimia, dan menemukan bagaimana masing-masing langkah ini akan mengubah CI yang direkam dalam inti fosfor. Kami mempresentasikan setiap transformasi dalam bentuk persamaan dan elemen flowchart (elemen flowchart adalah gambar yang dapat dibuat bersama untuk membuat rangkaian algoritma yang bekerja). Kami menyebut rangkaian transformasi ini sebagai operasi Posner.

Bayangkan Anda dapat melakukan operasi Posner dengan menyiapkan molekul, mencoba menghubungkannya, dll. Bagaimana Anda bisa menangani CI dengan operasi seperti itu? Elizabeth dan saya telah menemukan aplikasi dalam pesan kuantum, perekaman kesalahan kuantum, dan komputasi kuantum. Hasil kami didasarkan pada satu asumsi - mungkin salah - bahwa Matius membuat kesimpulan yang tepat. Kami mengkarakterisasi apa yang dapat dicapai Pozners jika dikelola secara aktif, meskipun pengaruh acak akan mengarahkan mereka dalam cairan biologis. Tapi ini setidaknya merupakan titik awal yang baik untuk penelitian lebih lanjut.

Kami menemukan beberapa efek CI yang dapat direalisasikan dengan molekul Posner. Pertama, KI dapat diteleportasi dari satu Posner ke yang lain, tetapi kebisingan muncul. Sifatnya adalah dalam dimensi efektif yang dilakukan Posner satu sama lain ketika digabungkan. Dimensi ini mengubah ruang bagian ruang Hilbert dari dua Posners melalui dimensi Bell kasar. Pengukuran Bell memberikan satu dari empat kemungkinan hasil, atau dua bit. Jika salah satu bit dibuang, hasil pengukuran akan kasar. Teleportasi kuantum membutuhkan pengukuran Bell, dan pengerasan ini akan menyebabkan noise.

Teleportasi yang berisik ini juga disebut pengkodean super padat . Bit adalah parameter acak yang mengambil salah satu dari dua nilai, dan "trit" adalah parameter acak yang dapat mengambil salah satu dari tiga nilai yang mungkin. Trit dapat secara efektif diteleportasi dari satu Posner ke yang lain menggunakan belitan jika satu bit langsung ditransmisikan di antara mereka.



Kedua, Matius berpendapat bahwa struktur Posner melindungi CI dari dekoherensi. Para ilmuwan telah mengembangkan program koreksi dan deteksi kesalahan untuk melindungi CI dari dekoherensi. Bisakah Pozner mewujudkan program seperti itu dalam model kami? Ternyata ya: Elizabeth dan saya (dengan bantuan mantan post-doc dari Caltech Fernando Pastavsky ) mengembangkan program untuk mendeteksi kesalahan yang dapat bekerja pada Posner. One Posner mengkodekan kutrit logis (versi kuantum trit), dan kode mendeteksi kesalahan apa pun yang terjadi di salah satu dari enam qubit di Pozner.

Ketiga, seberapa kompleks keadaan kuantum yang dapat disiapkan menggunakan operasi Posner? Cukup rumit, seperti yang telah kami temukan: misalkan Anda dapat mengukur keadaan ini secara lokal sehingga hasil pengukuran sebelumnya akan mempengaruhi pengukuran di masa mendatang. Anda dapat melakukan perhitungan kuantum apa pun. Artinya, operasi Posner memungkinkan Anda untuk menyiapkan keadaan yang dapat digunakan untuk membuat komputer kuantum universal .

Akhirnya, kami menemukan estimasi numerik efek keterjeratan pada tingkat asosiasi Posner. Bayangkan bahwa Anda telah menyiapkan dua Posner P dan P ', yang hanya dikacaukan dengan partikel lain. Jika Posners mendekati orientasi yang benar, probabilitas keterkaitan mereka dalam model kami adalah 33,6%. Dan jika setiap qubit dalam P secara maksimal dikacaukan dengan qubit dalam P ', probabilitas penggabungan meningkat hingga 100%.


Elizabeth dan saya mempresentasikan proses yang dijelaskan oleh Matius dalam artikel 2015 sebagai bagan alur.

Saya takut bahwa ilmuwan lain akan mengolok-olok pekerjaan kami sebagai gila. Yang mengejutkan saya, dia diterima dengan antusias: rekan-rekannya memuji keberisikoan penelitian dalam arah baru. Selain itu, pekerjaan kami sama sekali tidak gila: kami tidak mengklaim bahwa fisika kuantum mempengaruhi kesadaran. Kami membangun di atas asumsi Matius, mencatat bahwa asumsi itu mungkin keliru, dan memeriksa konsekuensi dari asumsinya. Kami bukan ahli biokimia, atau peneliti, jadi kami membatasi diri pada pernyataan dalam teori CI.

Pozner mungkin tidak dapat mempertahankan koherensi cukup lama untuk menggunakan efek kuantum dalam pemrosesan informasi. Akankah kesalahan Matthew mengakhiri penelitian kita? Tidak. Posner mendorong kami untuk ide dan pertanyaan dalam teori CI. Misalnya, sirkuit kuantum kami menggambarkan interaksi (gerbang kesatuan) dan pengukuran yang dilakukan dengan menggabungkan Pozners. Skema ini sebagian memotivasi munculnya bidang penelitian baru yang muncul musim panas lalu dan sekarang mendapatkan momentum. Mari kita ambil gerbang kesatuan acak yang diselingi dengan pengukuran. Interaksi kesatuan melibatkan qubit, dan dimensi menghancurkan keterjeratan. Manakah dari pengaruh yang akan lebih signifikan? Akankah sistem beralih dari kondisi "sebagian besar bingung" ke "sebagian besar bingung" pada frekuensi pengukuran yang diberikan? Peneliti dari Santa Barbara dan Colorado ; MIT; Oxford ; Lancaster, Inggris ; Berkeley; Stanford dan Princeton menangani masalah ini.

Fisikawan calon, seperti yang umumnya diyakini, tidak boleh menyentuh kesadaran kuantum bahkan dengan tombak penjaga Swiss. Tapi saya senang saya mencoba: Saya belajar banyak, membuat kontribusi untuk sains, dan itu adalah petualangan. Dan jika seseorang tidak menyetujui kelancangan seperti itu, saya bisa menyalahkan John Preskill.

Artikel "Informasi kuantum dalam model Posner kognisi kuantum" dapat ditemukan di sini . Versi untuk arXiv ada di sini , dan ini adalah laporan dari artikel tersebut.