Informação quântica na consciência quântica

É geralmente aceito que um físico de um estudante de graduação nem sequer toque em algumas tarefas científicas com a ponta de uma lança longa - isso se aplica especialmente a lacunas nos fundamentos da teoria quântica. Essas tarefas são tão complexas que não há a menor chance de progresso. Essas tarefas são tão vagas que não há a menor chance de convencer alguém a prestar atenção ao progresso. Um exemplo dessa tarefa é o papel da física quântica na formação da consciência.


Crédito: dailygalaxy.com

Disclaimer! De um tradutor: eu traduzi este post na tentativa de descobrir uma ideia. O conceito em si é bastante controverso, e nem todos os pontos são claros (ou insuficientemente completos) no original. Não assumi a responsabilidade de inventar o original e deixar um post como ponto de partida para seus pensamentos e discussões.

Já havia um post sobre Habré sobre a ideia de Fisher, mas sempre é interessante ouvir explicações dos atores (autores). Alguns lugares são adaptados, links são adicionados.

De fato, sabemos que a física quântica definitivamente desempenha um papel em nossas mentes: as leis da física quântica permitem que os átomos permaneçam estáveis, e os átomos decaídos definitivamente não serão capazes de influenciar a consciência.

Mas a maioria dos físicos está convencida de que o emaranhamento quântico útil não pode existir no cérebro. O emaranhamento se manifesta em correlações quânticas entre sistemas quânticos, que são mais fortes do que qualquer um possível nos sistemas clássicos. O emaranhamento decai muito rapidamente em ambientes quentes, úmidos e barulhentos.
E o cérebro é exatamente esse ambiente. Imagine que você coloca as moléculas emaranhadas A e B no cérebro de alguém. Água, íons e outras partículas colidirão com essas moléculas. Quanto mais alta a temperatura do meio, mais colisões. As partículas do meio se enredam nas moléculas A e B através da interação eletromagnética. Quanto mais A se enredar com o ambiente, menos A poderá permanecer enredado em B. Por fim, A ficará um pouco confuso com muitas partículas do meio. Mas um entrelaçamento tão fraco não pode ser usado para alguns cálculos úteis. Portanto, parece improvável que a física quântica afete significativamente a consciência.


Não toque

No entanto, meu consultor de pesquisa, John Preskill , sugeriu pensar se eu estaria interessado em trabalhar nesse tópico.

Tente um tópico completamente novo ", disse ele," dê uma chance. " Se não der certo, tudo bem. Mesmo assim, eles não esperam muito dos estudantes de pós-graduação. Você já viu o artigo de Matthew Fisher sobre consciência quântica?

Matthew Fisher é um físico teórico da Universidade da Califórnia em Santa Barbara. Ele é elogiado e reverenciado, especialmente por seu trabalho em supercondutores . Há alguns anos, Matthew se interessou por bioquímica. Ele sabia, é claro, que a maioria dos físicos duvida da participação de processos quânticos na formação da consciência. Mas e se não fosse assim, ele pensou, como eles poderiam participar? Pensei - e em 2015 escrevi um artigo nos Annals of Physics, no qual, com a ajuda da engenharia reversa, propus uma variante da consciência quântica.

Um estudante de pós-graduação em nenhum caso deve se preocupar com essas tarefas, mesmo uma antena de rádio de três metros, afirma bom senso. Mas confio em John Preskill como nenhum outro na Terra.
Vou dar uma olhada no artigo , falei.



Matthew sugeriu que a física quântica pode influenciar a consciência da seguinte forma ( aprox. Per. Também artigo sobre Habré ). Os experimentadores já realizaram cálculos quânticos usando um sistema quente, úmido e aleatório: em ressonância magnética nuclear (RMN) . A RMN é usada na ressonância magnética (MRI) para obter imagens do cérebro humano. Um sistema NMR padrão consiste em moléculas líquidas a alta temperatura. As moléculas, por sua vez, são compostas por átomos, cujos núcleos possuem uma propriedade quântica chamada spin . Rotações de núcleos podem codificar informações quânticas (IC).

Matthew argumentou: o que poderia impedir que os giros dos núcleos armazenassem informações quânticas em nossos cérebros? Ele compilou uma lista de coisas que poderiam destruir informações quânticas e concluiu que os íons hidrogênio representam a maior ameaça. Eles podem se envolver com rotações (e levar à decoerência ) através de uma interação dipolo - dipolo .

Como o spin pode evitar essa ameaça? Por exemplo, um giro de magnitude zere o momento elétrico quadrupolo do núcleo; as interações quadrupolo não podem levar à decoerência de tal rotação. E em que átomos do nosso corpo a rotação é igual ? Em hidrogênio e fósforo. Somente o hidrogênio é suscetível a outras fontes de decoerência, então Matthew chegou à conclusão de que os átomos de fósforo podem armazenar ICs em nosso cérebro, enquanto os giros do núcleo de fósforo funcionam como qubits (bits quânticos).

O fósforo é protegido contra interações elétricas, mas e as interações dipolo-dipolo magnéticas? Tais interações dependem da orientação dos spins em relação à sua posição no espaço. Se o fósforo fizer parte de uma pequena molécula que oscila no fluido biológico, a posição do núcleo muda aleatoriamente e, em média, a interação será zero.

Existem outros átomos nas moléculas além do fósforo. Os núcleos desses átomos podem interagir com a rotação do fósforo e destruir seu estado quântico. Isso não acontecerá em apenas um caso: quando todos os giros desses núcleos forem iguais a zero. Em quais átomos do corpo humano as costas do núcleo são iguais a zero? Em oxigênio e cálcio. Portanto, o fósforo será protegido da interação com outros átomos nas moléculas com cálcio e oxigênio.

Matthew propôs sua própria versão de uma molécula que protegeria o fósforo da decoerência. E então eu descobri que essa molécula é realmente descrita na literatura científica. Molécula chamado aglomerado de Posner ou molécula de Posner (vou chamá-lo de Posner para abreviar). O Posner pode existir em bi-fluidos artificiais - fluidos criados para simular fluidos dentro de nós. Acredita-se que os profissionais possam existir em nossos corpos e participar da formação óssea. Matthew estima que os Posners podem proteger as costas do fósforo da descoerência por 1 a 10 dias.


Molécula de Posner (imagem cortesia de Swift et al. )

Mas como os Posners podem afetar a consciência? Mateus propôs a seguinte opção. A molécula de adenosina trifosfato (ATP) é uma fonte de energia para reações bioquímicas. "Trifosfato" significa que contém três íons fosfato - compostos consistindo em um átomo de fósforo e três átomos de oxigênio. Dois fosfatos podem se separar da molécula de ATP, enquanto permanecem conectados um ao outro.

Um par de fosfatos flutuará até encontrar uma enzima chamada pirofosfatase. Essa enzima pode dividir um par de fosfatos em dois fosfatos independentes. Ao mesmo tempo, como Matthew sugeriu, junto com Leo Rajihovsky , os giros dos núcleos de fósforo são projetados em um estado singleto , que é um estado com confusão máxima.

Imagine muitos fosfatos em biofluidos. Seis fosfatos podem combinar-se com nove íons cálcio para formar uma molécula de Posner. Cada Posner pode ter seis singles em comum com outros Pozners - é assim que nuvens inteiras de moléculas Posner emaranhadas se formam.
Um grupo de Posner pode entrar em um neurônio, enquanto outro grupo - em outro neurônio. Posners podem ser transferidos através das membranas celulares com a proteína VGLUT (BNPI). Então, dois neurônios também estão confusos. Imagine dois Posners, P e Q, convergindo no neurônio N. Os cálculos da química quântica mostram que esses Posners podem se combinar. Suponha que P estivesse entrelaçado com Posner P ' no neurônio N' . Se P e Q forem combinados no neurônio N , o entrelaçamento entre P e P ' aumentará a probabilidade de combinar P' e Q ' .

Os Posers Unidos se moverão lentamente - terão que superar a resistência da água. Hidrogênio e magnésio podem substituir o cálcio em Posner, quebrando moléculas. Fosfatos com carga negativa atrairão carga positiva e , assim como os fosfatos atraem . O cálcio liberado preencherá os neurônios N e N '. Um aumento na concentração de cálcio leva ao aparecimento de um potencial químico no axônio e à liberação de neurotransmissores que transmitem um sinal entre dois neurônios. Se dois neurônios N e N 'são emaranhados através das moléculas de Posner, dois neurônios podem se inflamar simultaneamente.



Não sabemos se o mecanismo sugerido por Mateus funciona em nosso cérebro. No entanto, no ano passado, a Fundação Heising-Simons destinou US $ 1,2 milhão ao Matthew e colegas para experimentos.

John Preskill me disse: por exemplo, a ideia de Matthew é pelo menos parcialmente verdadeira, e as moléculas de Posner podem realmente armazenar informações quânticas. Os sistemas quânticos processam as informações de maneira diferente dos sistemas clássicos. Com que rapidez o Posner pode processar informações quânticas?
Joguei minha lança no quinto ano da faculdade e fui de Caltech para um estágio de cinco meses, tendo prometido voltar com um artigo respondendo à pergunta de John. E foi o que fiz: o artigo foi publicado nos Annals of Physics este mês.



Felizmente, pude interessar Elizabeth Crosson no meu projeto. Elizabeth, agora professora assistente da Universidade do Novo México, era pós-doc no grupo de John. Nós dois lidamos com a teoria da informação quântica, mas nossas qualificações, habilidades e forças variaram. Nós nos complementamos, possuindo a mesma obstinação, o que nos forçou a continuar a enviar cartas e trocar mensagens dia e noite.

Elizabeth e eu traduzimos as idéias de Matthew da linguagem da bioquímica para a linguagem matemática da teoria do IC. Dividimos a narrativa de Matthew em uma sequência de etapas bioquímicas e descobrimos como cada uma dessas etapas converterá o IC registrado nos núcleos de fósforo. Apresentamos cada transformação na forma de uma equação e um elemento de um fluxograma (elementos do fluxograma são imagens que podem ser criadas juntas para criar circuitos de algoritmos de trabalho). Chamamos esse conjunto de transformações de operações de Posner.

Imagine que você pode executar operações do Posner preparando moléculas, tentando conectá-las etc. Como você pode lidar com o IC com essas operações? Elizabeth e eu encontramos aplicativos em mensagens quânticas, registro de erros quânticos e computação quântica. Nossos resultados são baseados em uma suposição - possivelmente errônea - de que Mateus tirou as conclusões corretas. Nós caracterizamos o que Pozners pode alcançar se eles forem gerenciados ativamente, embora influências aleatórias os direcionassem em fluidos biológicos. Mas este é pelo menos um bom ponto de partida para futuras pesquisas.

Encontramos vários efeitos de IC que podem ser realizados com as moléculas de Posner. Em primeiro lugar, o KI pode ser teleportado de um Posner para outro, mas surgem ruídos. Sua natureza está na dimensão efetiva que Posner realiza um ao outro quando combinados. Essa dimensão transforma o subespaço do espaço Hilbert de dois Posners através da dimensão aproximada de Bell. A medição de Bell fornece um dos quatro resultados possíveis, ou dois bits. Se um dos bits for descartado, o resultado da medição será grosseiro. O teletransporte quântico requer uma medição de Bell, e o aumento dessa medição leva a ruído.

Esse teletransporte barulhento também é chamado de codificação super densa . Um bit é um parâmetro aleatório que assume um dos dois valores, e “trit” é um parâmetro aleatório que pode assumir um dos três valores possíveis. Um trit pode ser efetivamente teleportado de um Posner para outro usando o emaranhamento, se um bit for transmitido diretamente entre eles.



Em segundo lugar, Matthew argumentou que a estrutura de Posner protege o IC da descoerência. Os cientistas desenvolveram programas de correção e detecção de erros para proteger o IC da descoerência. Pozner pode realizar esses programas em nosso modelo? Acontece que sim: Elizabeth e eu (com a ajuda de um ex-pós- doutorado da Caltech Fernando Pastavsky ) desenvolvemos um programa para detectar erros que podem funcionar no Posner. Um Posner codifica um kutrit lógico (versão quântica do trit) e o código detecta qualquer erro que ocorra em um dos seis qubits em Pozner.

Terceiro, quão complexo pode ser um estado quântico que possa ser preparado usando operações de Posner? Muito complicado, como descobrimos: suponha que você possa medir esse estado localmente para que os resultados das medições anteriores influenciem as medidas no futuro. Você pode fazer qualquer cálculo quântico. Ou seja, a operação Posner permite preparar um estado que pode ser usado para criar um computador quântico universal .

Finalmente, encontramos uma estimativa numérica do efeito do emaranhamento na taxa de associação de Posner. Imagine que você preparou dois Posner P e P ', que são confundidos apenas com outras partículas. Se os Posners se aproximarem da orientação correta, a probabilidade de sua associação em nosso modelo é de 33,6%. E se cada qubit em P é confundido ao máximo com um qubit em P ', a probabilidade de combinação aumenta para 100%.


Elizabeth e eu apresentamos o processo descrito por Matthew em um artigo de 2015 como fluxogramas.

Eu temia que outros cientistas ridicularizassem nosso trabalho como insano. Para minha surpresa, ela foi recebida com entusiasmo: seus colegas elogiaram o risco da pesquisa em uma nova direção. Além disso, nosso trabalho não é nada louco: não afirmamos que a física quântica afeta a consciência. Construímos as suposições de Matthew, observando que elas podem estar erradas, e examinamos as conseqüências de suas suposições. Nós não somos bioquímicos, nem experimentadores, por isso nos limitamos a afirmações na teoria da CI.

Pozner pode não ser capaz de manter a coerência por tempo suficiente para usar efeitos quânticos no processamento de informações. Os erros de Matthew acabarão com nossa pesquisa? Não. Posner nos levou a idéias e perguntas na teoria do IC. Por exemplo, nossos circuitos quânticos ilustram interações (portas unitárias) e medições feitas pela combinação de Pozners. Esses esquemas motivaram parcialmente o surgimento de um novo campo de pesquisa que surgiu no verão passado e agora está ganhando força. Vamos pegar portões unitários aleatórios intercalados com medições. Interações unitárias envolvem qubits e dimensões destroem o emaranhado. Quais das influências serão mais significativas? O sistema passará de um estado de "amplamente confuso" para "amplamente confuso" em uma determinada frequência de medição? Pesquisadores de Santa Barbara e Colorado ; MIT; Oxford ; Lancaster, Reino Unido ; Berkeley; Stanford e Princeton abordaram esta questão.

O físico aspirante, como geralmente se acredita, não deve tocar a consciência quântica mesmo com a alabarda da guarda suíça. Mas estou feliz por ter tentado: aprendi muito, fiz uma contribuição para a ciência e foi uma aventura. E se alguém não aprovar tal insolência, posso culpar John Preskill.

O artigo “Informações quânticas no modelo Posner de cognição quântica” pode ser encontrado aqui . A versão do arXiv está aqui e aqui está o relatório do artigo.