Warum Sie sich für Quantum Neuroscience interessieren sollten

Hinweise auf eine unglaublich aufregende Zukunft

Falls Sie noch nichts gehört haben, ist die Quantum-Wissenschaft im Augenblick heiß, mit aufgeregter Rede von unvorstellbar leistungsstarken Quantencomputern, hocheffizienter Quantenkommunikation und undurchdringlicher Cyber-Sicherheit durch Quantenverschlüsselung.

Warum der ganze Hype?

Einfach ausgedrückt verspricht die Quantum-Wissenschaft riesige Sprünge nach vorne anstatt der kleinen Schritte, an die wir uns im Alltag gewöhnt haben. Die Wissenschaft im Alltag gibt uns zum Beispiel neue Computer, die sich alle 2-3 Jahre verdoppeln, während die Quantum-Wissenschaft Computern mit vielen Billionen Mal mehr Leistung verspricht als der derzeit muskulöseste Computer.

Mit anderen Worten, die Quantenwissenschaft wird, wenn sie erfolgreich ist, eine technologische Veränderung bewirken, die die Welt, wie wir sie kennen, auf noch tiefere Weise umgestalten wird als das Internet oder das Smartphone.

Die atemberaubenden Möglichkeiten der Quantenwissenschaft ergeben sich aus einer einfachen Wahrheit: Quantenphänomene brechen vollständig die Regeln, die die Möglichkeiten klassischer (normaler) Phänomene einschränken.

Zwei Beispiele, bei denen die Quantenwissenschaft das plötzlich Unmögliche möglich macht, sind die Quantenüberlagerung und die Quantenverschränkung.

Wir müssen zuerst die Quantenüberlagerung angehen.

In der normalen Welt kann sich ein Gegenstand wie ein Baseball nur an einem Ort befinden. In der Quantenwelt kann ein Teilchen wie ein Elektron jedoch gleichzeitig unendlich viele Orte einnehmen , in denen Physiker eine Überlagerung mehrerer Zustände bezeichnen. In der Quantenwelt verhält sich eines daher manchmal wie viele verschiedene Dinge.

CC0

Überlagerung

Quelle: CC0

Untersuchen wir nun die Quantenverschränkung, indem wir die Baseball-Analogie etwas weiter ausdehnen. In der normalen Welt sind zwei Baseballbälle, die in dunklen Schließfächern in den Stadien der Major League in Los Angeles und Boston sitzen, völlig unabhängig voneinander. Wenn Sie also einen der Schließfächer geöffnet haben, um sich einen Baseball anzusehen, würde dem anderen Baseball absolut nichts passieren in einem dunklen Stauraum 3.000 Meilen entfernt. In der Quantenwelt können jedoch zwei einzelne Teilchen, z. B. Photonen, verschränkt werden, so dass der bloße Vorgang des Detektierens eines Photons mit einem Detektor das andere Photon, gleichgültig wie weit entfernt, zwingt, einen bestimmten Zustand anzunehmen.

Eine solche Verschränkung bedeutet, dass sich mehrere verschiedene Entitäten im Quantenuniversum als eine einzelne Entität verhalten können, unabhängig davon, wie weit die verschiedenen Entitäten voneinander entfernt sind.

Dies wäre gleichbedeutend mit einer Änderung des Zustands eines Baseballs – zum Beispiel erzwingen, dass er sich auf dem obersten oder untersten Regal eines Speicherschließfachs befindet – einfach durch Öffnen eines 3.000 Meilen entfernten Speicherschließfachs und Betrachten eines völlig anderen Baseballs.

Diese “unmöglichen” Verhaltensweisen machen Quanteneinheiten ideal, um beispielsweise mit Computern das Unmögliche möglich zu machen. In normalen Computern ist ein gespeichertes Informationsbit entweder eine Null oder eine Eins, aber in einem Quantencomputer ist ein gespeichertes Bit, das als Qubit (Quantenbit) bezeichnet wird, gleichzeitig null und eins. Wenn also ein einfacher Speicher von 8 Bits eine beliebige individuelle Zahl von 0 bis 255 (2 ^ 8 = 256) enthalten kann, kann ein Speicher von 8 Qubits 2 ^ 8 = 256 separate Zahlen auf einmal speichern! Die Möglichkeit, exponentiell mehr Informationen zu speichern, ist der Grund, warum Quantencomputer einen Quantensprung bei der Verarbeitungsleistung versprechen.

In obigem Beispiel speichert ein 8-Bit-Speicher in einem Quantencomputer 256 Zahlen zwischen 0 und 255 auf einmal, während ein 8-Bit-Speicher in einem gewöhnlichen Computer nur jeweils eine Zahl zwischen 0 und 255 speichert. Stellen Sie sich nun einen 24-Bit-Quantenspeicher (2 ^ 24 = 16.777.216) vor, der nur dreimal so viele Qubits wie unser erster Speicher enthält: Er kann satte 16.777.216 verschiedene Zahlen gleichzeitig speichern !

Was uns zu den Schnittstellen von Quantenwissenschaft und Neurobiologie führt. Das menschliche Gehirn ist ein weitaus leistungsfähigerer Prozessor als jeder heute verfügbare Computer: Erzielt es einen Teil dieser unglaublichen Leistung, indem es Quantenverrücktheit auf dieselbe Weise wie Quantencomputer nutzt?

Bis vor kurzem war die Antwort der Physiker auf diese Frage ein klares “Nein”.

Quantenphänomene wie die Überlagerung sind darauf angewiesen, diese Phänomene aus der Umgebung zu isolieren, insbesondere durch Wärme in der Umgebung, die Teilchen in Bewegung setzt, das hyperempfindliche Quantenhaus von Karten der Überlagerung stört und ein bestimmtes Teilchen dazu zwingt, entweder Punkt A oder Punkt B zu besetzen , aber niemals beides gleichzeitig.

Wenn Wissenschaftler also Quantenphänomene untersuchen, unternehmen sie große Anstrengungen, um das von ihnen untersuchte Material von der Umgebung zu isolieren. Normalerweise senkt es die Temperatur in ihren Experimenten auf nahezu absoluten Nullpunkt.

Aus der Welt der Pflanzenphysiologie gibt es jedoch immer mehr Beweise, dass einige biologische Prozesse, die auf der Quantenüberlagerung beruhen, bei normalen Temperaturen ablaufen, und es besteht die Möglichkeit, dass eine unvorstellbare fremde Welt der Quantenmechanik tatsächlich in den Alltag anderer biologischer Systeme, wie unseres, eingreift Nervensysteme.

Im Mai 2018 fand ein Forschungsteam der Universität Groningen, zu dem auch der Physiker Thomas la Cour Jansen gehörte, Beweise dafür, dass Pflanzen und einige photosynthetische Bakterien eine nahezu 100% ige Effizienz erzielen und Sonnenlicht in nutzbare Energie umwandeln, indem sie die Tatsache ausnutzen, dass die Absorption von Sonnenenergie Elektronen verursacht Lichteinfangmoleküle existieren gleichzeitig in angeregten und nicht angeregten Quantenzuständen, die sich über relativ große Entfernungen innerhalb der Anlage ausbreiten, wodurch die durch Licht angeregten Elektronen den effizientesten Weg von den Molekülen finden können, in denen Licht zu verschiedenen Molekülen gefangen wird, wo nutzbare Energie verfügbar ist denn die Anlage wird angelegt.

Bei der unermüdlichen Suche nach energieeffizientesten Lebensformen scheint die Evolution den Glauben der Physiker ignoriert zu haben, dass in der warmen, nassen Umgebung der Biologie keine nützlichen Quanteneffekte auftreten können.

Die Entdeckung der Quanteneffekte in der Pflanzenbiologie hat zu einem völlig neuen Wissenschaftsbereich geführt, der Quantenbiologie. In den letzten Jahren haben Quantenbiologen Beweise für quantenmechanische Eigenschaften bei der Wahrnehmung des Magnetfelds in den Augen einiger Vögel gefunden (wodurch die Vögel während der Migration navigieren können) und bei der Aktivierung von Geruchsrezeptoren beim Menschen. Vision-Forscher haben auch entdeckt, dass Photorezeptoren in der menschlichen Retina elektrische Signale aus der Erfassung einzelner Quanten Lichtenergie erzeugen können.

Hat die Evolution unser Gehirn auch hypereffizient gemacht, um nutzbare Energie zu erzeugen oder Informationen zwischen Neuronen mittels Quanteneffekten wie Überlagerung und Verschränkung zu übertragen und zu speichern?

Neurowissenschaftler stehen am Anfang, um diese Möglichkeit zu untersuchen, aber ich bin aufgeregt über das aufkeimende Feld der Quantenneurowissenschaften, weil es zu bahnbrechenden Durchbrüchen in unserem Verständnis des Gehirns führen könnte.

Ich sage das, weil die Geschichte der Wissenschaft uns lehrt, dass die größten Durchbrüche fast immer aus Ideen stammen, die vor einem bestimmten Durchbruch unglaublich komisch klingen. Einsteins Entdeckung, dass Raum und Zeit tatsächlich das Gleiche sind (allgemeine Relativitätstheorie), ist ein Beispiel. Darwins Entdeckung, dass Menschen aus primitiveren Lebensformen entstanden sind, ist ein anderes. Und natürlich ist die Entdeckung der Quantenmechanik von Planck, Einstein und Bohr überhaupt eine andere.

All dies deutet stark darauf hin, dass die Ideen, die hinter den fortschreitenden Fortschritten in der Neurowissenschaft von morgen stehen, für die meisten Menschen heute höchst unorthodox und unwahrscheinlich erscheinen.

Nun, nur weil die Quantenbiologie im Gehirn komisch und unwahrscheinlich klingt, ist sie nicht automatisch die Quelle für den nächsten großen Sprung in der Neurowissenschaft. Ich bin jedoch der Meinung, dass ein tieferes Verständnis der Quanteneffekte in lebenden Systemen wichtige neue Erkenntnisse über unser Gehirn und unser Nervensystem liefern wird, wenn aus keinem anderen Grund die Annahme einer Quantenperspektive dazu führt, dass Neurowissenschaftler nach ungewohnten Antworten suchen wundervolle Orte, an die sie vorher nie gedacht hatten.

Und wenn Ermittler diese seltsamen und wundervollen Phänomene betrachten, könnten diese Phänomene, wie ihre verwandten Verwandten in der Teilchenphysik, auf sie zurückblicken!

Verweise

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3768233/

https://phys.org/news/2016-02-evidence-vibration-theory.html

http://jgp.rupress.org/content/150/3/383

https://phys.org/news/2018-05-quantum-effects-photosynthesis.html

https://www.quantamagazine.org/a-new-spin-on-the-quantum-hrain-20161102/

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology

Was ist Quantenbiologie?