Por que debería preocuparse pola neurociencia cuántica

Por se non o escoitaches, a ciencia cuántica está moi activa agora mesmo, con emocionadas conversas sobre computadoras cuánticas inimaxinablemente poderosas, comunicación cuántica ultraeficiente e ciberseguridade impenetrable a través do cifrado cuántico.

Por que todo o bombo?

Simplificando, a ciencia cuántica promete saltos xigantes cara adiante en lugar dos pasos do bebé aos que nos acostumamos a través da ciencia cotiá. A ciencia cotiá, por exemplo, dános novas computadoras que duplican a potencia cada 2-3 anos, mentres que a ciencia cuántica promete computadoras con moitas billóns de veces máis potencia que o ordenador máis musculoso dispoñible na actualidade.

Noutras palabras, a ciencia cuántica, se ten éxito, producirá un cambio sísmico na tecnoloxía que remodelará o mundo tal e como o coñecemos, de xeitos aínda máis profundos do que fixeron Internet ou os teléfonos intelixentes.

As impresionantes posibilidades da ciencia cuántica xorden dunha simple verdade: os fenómenos cuánticos rompen completamente as regras que limitan o que os fenómenos "clásicos" (normais) poden realizar.

Dous exemplos onde a ciencia cuántica fai posíbel o que antes era imposible son a superposición cuántica e o enredo cuántico.

Abordemos primeiro a superposición cuántica.

No mundo normal, un obxecto como un béisbol só pode estar nun lugar á vez. Pero no mundo cuántico, unha partícula como un electrón pode ocupar un número infinito de lugares ó mesmo tempo, existente no que os físicos chaman superposición de estados múltiples. Así, no mundo cuántico, ás veces unha cousa compórtase como moitas cousas diferentes.

Agora imos examinar o enredo cuántico estendendo un pouco máis a analoxía do béisbol. No mundo normal, dúas pelotas de béisbol sentadas en armarios escuros nos estadios das grandes ligas de Los Ángeles e Boston son totalmente independentes entre si, de tal xeito que se abris un dos armarios para ver un béisbol, absolutamente nada pasaría co outro béisbol nun armario escuro a 3.000 quilómetros de distancia. Pero no mundo cuántico, dúas partículas individuais, como os fotóns pode estar enredado, de tal xeito que o simple acto de detectar un fotón cun detector obriga instantaneamente ao outro fotón, por moi afastado que sexa, a asumir un estado particular.

Tal enredo significa que no universo cuántico, varias entidades distintas ás veces poden comportarse como unha única entidade, por moi afastadas que sexan.

Isto sería o equivalente a cambiar o estado dun béisbol (digamos, forzándoo a estar no estante superior e inferior dun armario de almacenamento) simplemente abrindo un armario de almacenamento a 3.000 millas de distancia e mirando a un enteiro. diferente béisbol.

Estes comportamentos "imposibles" fan que as entidades cuánticas sexan ideais para facer o imposible, por exemplo, con ordenadores. Nos ordenadores normais un bit de información almacenado é un cero ou un, pero nun computador cuántico un bit almacenado, chamado Qubit (bit cuántico), é cero e un ao mesmo tempo. Así, cando un almacén de memoria simple de 8 bits pode conter calquera número individual de 0 a 255 (2 ^ 8 = 256) unha memoria de 8 Qubits pode almacenar 2 ^ 8 = 256 números separados de vez! A capacidade de almacenar exponencialmente máis información é por iso que os ordenadores cuánticos prometen un salto cuántico na potencia de procesamento.

No exemplo anterior, unha memoria de 8 bits nun ordenador cuántico almacena 256 números entre 0 e 255 á vez, mentres que unha memoria de 8 bits nun ordenador normal almacena só 1 número entre 0 e 255 á vez. Agora imaxina unha memoria cuántica de 24 bits (2 ^ 24 = 16.777.216) con só 3 veces máis Qubits que a nosa primeira memoria: podería almacenar unha enorme cantidade 16.777.216 números diferentes á vez.

O que nos leva á intersección da ciencia cuántica e a neurobioloxía. O cerebro humano é un procesador moito máis potente que calquera computador dispoñible na actualidade: consegue algo deste poderoso poder aproveitando as rarezas cuánticas do mesmo xeito que os ordenadores cuánticos?

Ata hai moi pouco, a resposta dos físicos a esa pregunta foi un rotundo "non".

Os fenómenos cuánticos como a superposición dependen de illar eses fenómenos do ambiente circundante, particularmente a calor no ambiente que pon en movemento as partículas, trastornando a hiper delicada casa cuántica de tarxetas de superposición e forzando unha partícula en particular a ocupar o punto A ou o punto B , pero nunca os dous ao mesmo tempo.

Así, cando os científicos estudan os fenómenos cuánticos, afánanse moito para illar o material que estudan do ambiente circundante, normalmente baixando a temperatura nos seus experimentos ata o cero case absoluto.

Pero desde o mundo da fisioloxía vexetal xorde evidencia de que algúns procesos biolóxicos que dependen da superposición cuántica ocorren a temperaturas normais, o que supón a posibilidade de que un mundo inimaxinablemente estraño da mecánica cuántica poida realmente entrometerse no funcionamento diario doutros sistemas biolóxicos, como o noso sistemas nerviosos.

Por exemplo, en maio de 2018 un equipo de investigación da Universidade de Groningen que incluía ao físico Thomas la Cour Jansen atopou evidencias de que as plantas e algunhas bacterias fotosintéticas alcanzan case un 100% de eficiencia convertendo a luz solar en enerxía útil ao explotar o feito de que a absorción de enerxía solar provoca algúns electróns en as moléculas captadoras de luz existen simultaneamente en estados cuánticos excitados e non excitados distribuídos a distancias relativamente longas dentro da planta, permitindo aos electróns excitados a luz atopar o camiño máis eficiente desde as moléculas onde a luz é capturada ata as diferentes moléculas onde a enerxía utilizable pois créase a planta.

A evolución, na súa incesante procura de enxeñar as formas de vida máis eficientes en enerxía, parece ignorar a crenza dos físicos de que os efectos cuánticos útiles non poden ocorrer nos ambientes cálidos e húmidos da bioloxía.

O descubrimento de efectos cuánticos na bioloxía vexetal deu lugar a un campo da ciencia completamente novo chamado bioloxía cuántica. Nos últimos anos, os biólogos cuánticos descubriron evidencias de propiedades mecánicas cuánticas na percepción do campo magnético aos ollos dalgunhas aves (permitindo ás aves navegar durante a migración) e na activación dos receptores do olfato nos humanos. Os investigadores da visión tamén descubriron que os fotorreceptores da retina humana son capaces de xerar sinais eléctricos a partir da captura dun só cante de enerxía luminosa.

A evolución tamén converteu os nosos cerebros en hipereficientes para xerar enerxía útil ou para transmitir e almacenar información entre as neuronas usando efectos cuánticos como a superposición e o enredo?

Os neurocientíficos están ao comezo da investigación desta posibilidade, pero por un motivo estou emocionado polo nacente campo da neurociencia cuántica porque podería levar a avances caídos na nosa comprensión do cerebro.

Digo isto porque a historia da ciencia ensínanos que os maiores avances case sempre proveñen de ideas que, antes de que se produza un avance en particular, soan incrible. O descubrimento de Einstein de que o espazo e o tempo son realmente a mesma cousa (relatividade xeral) é un exemplo, o descubrimento de Darwin de que os humanos evolucionaron a partir de formas de vida máis primitivas, é outro. E, por suposto, o descubrimento da mecánica cuántica por Planck, Einstein e Bohr, é outro.

Todo isto implica fortemente que as ideas detrás do xogo de mañá que cambian os avances da neurociencia, hoxe parecerán á maioría das persoas moi pouco ortodoxas e inverosímiles.

Agora, só porque a bioloxía cuántica no cerebro soe estraña e inverosímil non a cualifica automaticamente como a fonte do seguinte salto xigante cara adiante na neurociencia. Pero teño a sensación de que unha comprensión máis profunda dos efectos cuánticos nos sistemas vivos dará novas ideas importantes sobre os nosos cerebros e sistemas nerviosos, se por ningunha outra razón, que a adopción dun punto de vista cuántico fará que os neurocientíficos busquen respostas de xeito estraño e lugares marabillosos que nunca consideraron investigar antes.

E cando os investigadores miran eses estraños e marabillosos fenómenos, eses fenómenos, como os seus curmáns enredantes na física de partículas, poderían volver a miralos.