რატომ უნდა იზრუნოთ კვანტური ნეირომეცნიერების შესახებ

იმ შემთხვევაში, თუ არ გსმენიათ, კვანტური მეცნიერება ახლა ძალიან ცხარეა, აღფრთოვანებული საუბარია წარმოუდგენლად მძლავრ კვანტურ კომპიუტერებზე, ულტრაეფექტურ კვანტურ კომუნიკაციაზე და კვანტური დაშიფვრის გზით გაუსვლელ კიბერ უსაფრთხოებაზე.

რატომ ყველა hype?

მარტივად რომ ვთქვათ, კვანტური მეცნიერება გიგანტურ ნახტომებს გვპირდება, ნაცვლად იმისა, რომ ჩვილი ნაბიჯები შევაჩვიოთ ყოველდღიური მეცნიერების საშუალებით. მაგალითად, ყოველდღიური მეცნიერება გვაძლევს ახალ კომპიუტერებს, რომლებიც ენერგიას ორმაგად აძლიერებენ ყოველ 2-3 წელიწადში, ხოლო კვანტური მეცნიერება გვპირდება მრავალ კომპიუტერიან კომპიუტერებს. ტრილიონ ჯერ მეტი ძალა, ვიდრე დღეს ყველაზე კუნთოვანი კომპიუტერი.

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, კვანტური მეცნიერება, წარმატების შემთხვევაში, წარმოქმნის სეისმურ ცვლას ტექნოლოგიაში, რომელიც აყალიბებს მსოფლიოს, როგორც ჩვენ ვიცით, კიდევ უფრო ღრმა გზებით, ვიდრე ეს გააკეთეს ინტერნეტმა ან სმარტფონებმა.

კვანტური მეცნიერების თვალწარმტაცი შესაძლებლობები წარმოიშობა ერთი მარტივი ჭეშმარიტებისგან: კვანტური ფენომენი მთლიანად არღვევს წესებს, რომლებიც ზღუდავს იმას, რაც ”კლასიკური” (ნორმალური) ფენომენებს ასრულებს.

კვანტური ზემოქმედება და კვანტური ჩახლართვა ორი მაგალითია, სადაც კვანტური მეცნიერება საშუალებას იძლევა, რაც ადრე შეუძლებელი იყო, უცებ შესაძლებელია.

პირველ რიგში მოდით გავუმკლავდეთ კვანტურ სუპერპოზიციას.

ნორმალურ სამყაროში ისეთი ობიექტი, როგორიცაა ბეისბოლი, ერთდროულად მხოლოდ ერთ ადგილზე შეიძლება იყოს. მაგრამ კვანტურ სამყაროში ნაწილაკს, როგორიცაა ელექტრონს, შეუძლია უსასრულო რაოდენობის ადგილების დაკავება ამავე დროს, არსებობს, რასაც ფიზიკოსები უწოდებენ მრავალი მდგომარეობის სუპერპოზიციას. კვანტურ სამყაროში ზოგჯერ ერთი რამ იქცევა, როგორც ბევრი სხვადასხვა რამ.

მოდით განვიხილოთ კვანტური ჩახლართვა ბეისბოლის ანალოგის ოდნავ კიდევ გაფართოებით. ნორმალურ სამყაროში ლოს ანჯელესის და ბოსტონის დიდ ლიგის სტადიონებზე მუქი კარადებში მჯდომი ორი ბეისბოლი აბსოლუტურად დამოუკიდებელია ერთმანეთისგან, ისეთი, რომ გახსნათ ერთი სათავსო, ერთი ბეისბოლის დასათვალიერებლად, სხვა ბეისბოლის აბსოლუტურად არაფერი დაემართებათ. 3000 მეტრის მოშორებით, ბნელ სათავსოში. კვანტურ სამყაროში ორი ინდივიდუალური ნაწილაკი, მაგალითად, ფოტონები შეიძლება ჩახლართულ იქნას ისეთი, რომ ერთი ფოტონის დეტექტორთან შეგრძნების უბრალო მოქმედება მყისიერად აიძულებს მეორე ფოტონს, რაც არ უნდა შორს იყოს, მიიღოს გარკვეული მდგომარეობა.

ასეთი ჩახლართვა ნიშნავს, რომ კვანტურ სამყაროში მრავალი განსხვავებული სუბიექტი ზოგჯერ შეიძლება იქცეოდეს, როგორც ერთიანი სუბიექტი, რაც არ უნდა იყოს ერთმანეთისგან დაშორებული.

ეს იქნება ერთი ბეისბოლის მდგომარეობის შეცვლის ტოლფასი - ვთქვათ, აიძულოს იგი სათავსის მბრძანებლის ზედა და ქვედა თაროზე იყოს - უბრალოდ გახსენით სათავსო მბრძანებელი 3000 მილის მოშორებით და მთლიანად განსხვავებული ბეისბოლი

ეს "შეუძლებელი" ქცევა კვანტურ ობიექტებს იდეალურს ხდის შეუძლებლის გაკეთებისთვის, მაგალითად, კომპიუტერებით. ნორმალურ კომპიუტერებში ინფორმაციის შენახული ბიტი არის ნულოვანი ან ერთი, მაგრამ კვანტურ კომპიუტერში შენახული ბიტი, რომელსაც უწოდებენ Qubit (კვანტური ბიტი), ერთდროულად ნულოვანიცაა და ერთიც. ამრიგად, სადაც 8 ბიტიანი მეხსიერების მარტივი მაღაზია შეიძლება შეიცავდეს ინდივიდუალურ რიცხვს 0-დან 255-მდე (2 ^ 8 = 256), 8 Qubits მეხსიერებას შეუძლია შეინახოს 2 ^ 8 = 256 ცალკეული რიცხვები ერთბაშად! ექსპონენციალურად მეტი ინფორმაციის შენახვის შესაძლებლობა არის ის, თუ რატომ ჰპირდებიან კვანტური კომპიუტერები კვანტურ ნახტომს გადამუშავების ენერგიაში.

ზემოთ მოყვანილ მაგალითში, კვანტურ კომპიუტერში 8 ბიტიანი მეხსიერება ინახავს ერთდროულად 256 ნომერს 0-დან 255-მდე, ხოლო ჩვეულებრივ კომპიუტერში 8 ბიტიანი მეხსიერება ინახავს ერთჯერად მხოლოდ 1 ნომერს 0-დან 255-მდე. ახლა წარმოიდგინეთ 24 ბიტიანი კვანტური მეხსიერება (2 ^ 24 = 16,777,216) მხოლოდ 3 – ჯერ მეტი კუბიტით, ვიდრე ჩვენი პირველი მეხსიერება: მას შეუძლია შეინარჩუნოს უზარმაზარი ერთდროულად 16,777,216 სხვადასხვა ნომერი!

რაც კვანტური მეცნიერებისა და ნეირობიოლოგიის გადაკვეთამდე მიგვიყვანს. ადამიანის ტვინი ბევრად უფრო ძლიერი პროცესორია, ვიდრე დღეს არსებული ნებისმიერი კომპიუტერი: აღწევს თუ არა იგი ამ გასაოცარ ძალას კვანტური უცნაურობის გამოყენებით ისე, როგორც კვანტური კომპიუტერები?

ძალიან ცოტა ხნის წინ, ამ კითხვაზე ფიზიკოსების პასუხი იყო უაღრესად უარყოფითი.

კვანტური მოვლენები, როგორიცაა სუპერპოზიცია ეყრდნობა მიმდებარე გარემოდან ამ ფენომენების იზოლირებას, განსაკუთრებით სითბოს გარემოში, რომელიც მოძრაობს ნაწილაკებით, არღვევს სუპერპოზიციის ბარათების ჰიპერ-დელიკატურ კვანტურ სახლს და აიძულებს კონკრეტულ ნაწილაკს დაიკავოს A წერტილი ან B წერტილი , მაგრამ არასდროს ორივე ერთდროულად.

ამრიგად, როდესაც მეცნიერები კვანტურ ფენომენებს სწავლობენ, ისინი ყველაფერს აკეთებენ იმისთვის, რომ გამოყონ მასალა, რომელსაც ისინი სწავლობენ მიმდებარე გარემოდან, როგორც წესი, მათი ექსპერიმენტების დროს ტემპერატურა თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე შემცირდება.

მცენარეთა ფიზიოლოგიის სამყაროდან დასტურდება მტკიცებულება, რომ ზოგიერთი ბიოლოგიური პროცესი, რომლებიც კვანტურ ზემოქმედებას ეყრდნობა, ნორმალურ ტემპერატურაზე ხდება, რაც ზრდის კვანტური მექანიკის წარმოუდგენლად უცნაურ სამყაროს სხვა ბიოლოგიური სისტემების ყოველდღიურ მუშაობაში, მაგალითად ჩვენს ნერვული სისტემები.

მაგალითად, 2018 წლის მაისში გრონინგენის უნივერსიტეტის სამეცნიერო ჯგუფმა, რომელშიც შედიოდა ფიზიკოსი თომას ლა კურ ჟანსენი, აღმოჩნდა, რომ მცენარეები და ზოგიერთი ფოტოინთეზური ბაქტერია თითქმის 100% ეფექტურობას აღწევს მზის სინათლის გამოყენებად ენერგიად და იყენებს იმ ფაქტს, რომ მზის ენერგიის შეწოვა იწვევს ზოგიერთ ელექტრონს სინათლის აღმძვრელი მოლეკულები ერთდროულად არსებობენ როგორც აღგზნებულ, ისე არააღგზნებულ კვანტურ მდგომარეობებში, რომლებიც გავრცელებულია მცენარის შიგნით შედარებით დიდ მანძილზე, რაც საშუალებას აძლევს სინათლის აღგზნებულ ელექტრონებს იპოვონ ყველაზე ეფექტური გზა იმ მოლეკულებიდან, სადაც ხდება სინათლის აღება სხვადასხვა მოლეკულებისკენ, სადაც გამოსადეგი ენერგიაა რადგან მცენარე იქმნება.

ევოლუციამ, რომელიც შეუპოვრად ცდილობდა ენერგოეფექტური ცხოვრებისეული ფორმების შექმნას, უგულებელყო ფიზიკოსების რწმენა, რომ სასარგებლო კვანტური ეფექტები არ შეიძლება მოხდეს ბიოლოგიის თბილ, სველ გარემოში.

მცენარეთა ბიოლოგიაში კვანტური ეფექტების აღმოჩენამ მეცნიერების სრულიად ახალი დარგი წარმოშვა, რომელსაც კვანტური ბიოლოგია ეწოდება. ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში, კვანტურმა ბიოლოგებმა აღმოაჩინეს კვანტური მექანიკური თვისებების მტკიცებულება მაგნიტური ველის აღქმაში ზოგიერთი ფრინველის თვალში (ფრინველებს საშუალებას აძლევენ ნავიგაციას მიგრაციის დროს) და ადამიანებში სუნი რეცეპტორების გააქტიურებაში. ხედვის მკვლევარებმა ასევე აღმოაჩინეს, რომ ადამიანის ბადურაში ფოტორეცეპტორებს შეუძლიათ ელექტრო სიგნალების გამომუშავება ერთი კვანტური სინათლის ენერგიის აღებიდან.

ევოლუციამ ხომ არ გააკეთა ჩვენი ტვინი ჰიპერეფექტური გამოსაყენებელი ენერგიის გამომუშავებაში ან ნეირონებს შორის ინფორმაციის გადაცემასა და შენახვაში კვანტური ეფექტების გამოყენებით, როგორიცაა სუპერპოზიცია და ჩახლართვა?

ნეირომეცნიერები ამ შესაძლებლობის შესწავლის დასაწყისშივე არიან, მაგრამ მე ერთი აღფრთოვანებული ვარ კვანტური ნეირომეცნიერების ახალშობილი ველით, რადგან ამან შეიძლება გამოიწვიოს ტვინის გაგებაში ყბის ჩამოშლა.

ამას იმიტომ ვამბობ, რომ მეცნიერების ისტორია გვასწავლის, რომ ყველაზე დიდი გარღვევა თითქმის ყოველთვის მოდის იდეებიდან, რომლებიც, სანამ განსაკუთრებული მიღწევა მოხდება, წარმოუდგენლად უცნაურად ჟღერს. აინშტაინის აღმოჩენა, რომ სივრცე და დრო სინამდვილეში იგივეა (ზოგადი ფარდობითობა) არის ერთი მაგალითი, დარვინის აღმოჩენა, რომ ადამიანები განვითარდნენ ცხოვრების უფრო პრიმიტიული ფორმებიდან, სხვა. და რა თქმა უნდა, პლანკის, აინშტაინისა და ბორის მიერ პირველ რიგში კვანტური მექანიკის აღმოჩენა კიდევ ერთია.

ყოველივე ეს აშკარად გულისხმობს იმას, რომ ხვალინდელი თამაშის იდეები ნეირომეცნიერებაში წინსვლას ცვლის, დღეს ხალხის უმეტესობა ძალიან არაორდინარული და წარმოუდგენელი ჩანს.

მხოლოდ იმის გამო, რომ კვანტური ბიოლოგია თავის ტვინში უცნაურად ჟღერს და წარმოუდგენლად, მას ავტომატურად არ აკმაყოფილებს ნეირომეცნიერების შემდეგი გიგანტური ნახტომის წყაროს. მაგრამ მე შემიძლია ვთქვა, რომ ცოცხალ სისტემაში კვანტური ეფექტების უფრო ღრმა გაგება მნიშვნელოვან ახალ ცნობიერებას გამოიღებს ჩვენი ტვინისა და ნერვული სისტემის შესახებ, თუ სხვა არა რაიმე მიზეზი, რომ კვანტური თვალსაზრისის მიღება იწვევს ნეირომეცნიერებს უცნაურ და უცნაურ პასუხებს ეძებენ მშვენიერი ადგილები, რომელთა გამოკვლევასაც არასდროს ფიქრობდნენ.

და როდესაც გამომძიებლები შეისწავლიან ამ უცნაურ და მშვენიერ ფენომენებს, შესაძლოა ეს ფენომენი, ისევე როგორც მათი ძვირფასი ბიძაშვილები ნაწილაკების ფიზიკაში, გადახედონ მათ!