なぜ量子神経科学を気にする必要があるのか

聞いたことがない方のために説明すると、量子科学は今、白熱しており、想像を絶するほど強力な量子コンピューター、超効率的な量子通信、量子暗号化による侵入不可能なサイバーセキュリティについての興奮した話があります。

なぜすべての誇大宣伝？

簡単に言えば、量子科学は、私たちが日常の科学を通して慣れ親しんできた赤ちゃんのステップの代わりに、大きな飛躍を約束します。たとえば、日常の科学は2〜3年ごとに2倍のパワーを発揮する新しいコンピューターを提供しますが、量子科学は多くのコンピューターを約束します 何兆回 今日利用できる最も筋肉質のコンピューターよりも強力です。

言い換えれば、量子科学が成功すれば、インターネットやスマートフォンよりもさらに深遠な方法で、私たちが知っているように世界を再形成する技術の地震の変化を生み出すでしょう。

量子科学の息を呑むような可能性はすべて、1つの単純な真実から生じます。量子現象は、「古典的な」（通常の）現象が達成できることを制限する規則を完全に破ります。

量子科学がかつて不可能だったことを突然可能にする2つの例は、量子重ね合わせと量子もつれです。

まず、量子重ね合わせに取り組みましょう。

通常の世界では、野球などのオブジェクトは一度に1つの場所にしか存在できません。しかし、量子の世界では、電子などの粒子が無限の場所を占める可能性があります 同時に、 物理学者が複数の状態の重ね合わせと呼ぶものに存在します。したがって、量子の世界では、1つのものが多くの異なるもののように動作することがあります。

それでは、野球のアナロジーをもう少し拡張して、量子もつれを調べてみましょう。通常の世界では、ロサンゼルスとボストンのメジャーリーグスタジアムの暗いロッカーに座っている2つの野球は互いに完全に独立しているため、一方の野球を見るために保管ロッカーの1つを開いた場合、もう一方の野球にはまったく何も起こりません。 3,000マイル離れた暗い保管ロッカーで。しかし、量子の世界では、光子などの2つの個別の粒子 できる 一方の光子を検出器で感知するという単なる行為が、どれだけ離れていても、もう一方の光子を瞬時に特定の状態にするように絡み合っている。

このようなエンタングルメントは、量子宇宙では、別個のエンティティがどれほど離れていても、複数の別個のエンティティが単一のエンティティとして動作する場合があることを意味します。

これは、1つの野球の状態を変更することと同じです。たとえば、3,000マイル離れた場所にある保管用ロッカーを開けて、全体を見つめるだけで、保管用ロッカーの上部と下部の棚に置くように強制します。 異なる 野球。

これらの「不可能な」振る舞いは、量子エンティティを、たとえばコンピュータで不可能なことを行うのに理想的なものにします。通常のコンピューターでは、格納されている情報のビットは0または1ですが、量子コンピューターでは、量子ビット（量子ビット）と呼ばれる格納されているビットは、同時に0と1の両方です。したがって、8ビットの単純なメモリストアに0から255（2 ^ 8 = 256）までの任意の個別の数値を含めることができる場合、8キュービットのメモリには2 ^ 8 = 256を格納できます。 個別の番号 一斉に！指数関数的に多くの情報を保存できることが、量子コンピューターが処理能力の飛躍的な進歩を約束する理由です。

上記の例では、量子コンピュータの8ビットメモリは0から255までの256の数値を一度に格納しますが、通常のコンピュータの8ビットメモリは一度に0から255までの1つの数値のみを格納します。ここで、最初のメモリの3倍の量子ビットしか持たない24ビットの量子メモリ（2 ^ 24 = 16,777,216）を想像してみてください。 一度に16,777,216の異なる番号！

それは私たちを量子科学と神経生物学の交差点に導きます。人間の脳は、今日利用可能などのコンピューターよりもはるかに強力なプロセッサーです。量子コンピューターと同じように量子の奇妙さを利用することで、この驚くべき力の一部を実現していますか？

ごく最近まで、その質問に対する物理学者の答えは、はっきりとした「いいえ」でした。

重ね合わせなどの量子現象は、周囲の環境、特に粒子を動かす環境の熱からそれらの現象を分離し、重ね合わせのカードの非常に繊細な量子ハウスを混乱させ、特定の粒子を点Aまたは点Bのいずれかに占有させることに依存しています。 、ただし両方を同時に使用することはできません。

したがって、科学者が量子現象を研究するとき、彼らは通常、実験の温度をほぼ絶対零度に下げることによって、研究している物質を周囲の環境から隔離するために非常に長い時間を費やします。

しかし、植物生理学の世界から、量子重ね合わせに依存するいくつかの生物学的プロセスが常温で発生するという証拠が増えており、想像を絶する奇妙な量子力学の世界が、私たちのような他の生物学的システムの日常の働きに実際に侵入する可能性があります。神経系。

たとえば、2018年5月、物理学者のトーマスラクールヤンセンを含むグロニンゲン大学の研究チームは、太陽エネルギーの吸収がいくつかの電子を引き起こすという事実を利用することによって、植物といくつかの光合成細菌が太陽光を使用可能なエネルギーに変換するほぼ100％の効率を達成するという証拠を発見しました励起量子状態と非励起量子状態の両方で同時に存在する光捕獲分子は、植物内の比較的長い距離に広がり、光励起電子が、光が捕獲される分子から使用可能なエネルギーがあるさまざまな分子への最も効率的な経路を見つけることを可能にします植物のために作成されます。

進化論は、最もエネルギー効率の高い生命体を設計するという執拗な探求において、生物学の暖かく湿った環境では有用な量子効果は起こり得ないという物理学者の信念を無視しているようです。

植物生物学における量子効果の発見は、量子生物学と呼ばれるまったく新しい科学分野を生み出しました。過去数年間で、量子生物学者は、一部の鳥の眼の磁場知覚（移動中に鳥​​がナビゲートできるようにする）、およびヒトの嗅覚受容体の活性化における量子力学的特性の証拠を発掘しました。視覚研究者はまた、人間の網膜の光受容体が単一量子の光エネルギーの捕獲から電気信号を生成できることを発見しました。

進化はまた、重ね合わせやエンタングルメントなどの量子効果を使用して、使用可能なエネルギーを生成したり、ニューロン間で情報を送信および保存したりする際に、脳を超効率的にしましたか？

神経科学者はこの可能性を調査し始めたばかりですが、私は量子神経科学の初期の分野に興奮しています。それは私たちの脳の理解に驚異的なブレークスルーをもたらす可能性があるからです。

科学の歴史は、最大のブレークスルーはほとんどの場合、特定のブレークスルーが発生する前に信じられないほど奇妙に聞こえるアイデアから来ることを私たちに教えているので、私はこれを言います。空間と時間は本当に同じもの（一般相対性理論）であるというアインシュタインの発見は一例であり、人間がより原始的な生命体から進化したというダーウィンの発見は別のものです。そしてもちろん、プランク、アインシュタイン、ボーアによる量子力学の発見は、そもそも別のものです。

これらすべては、明日のゲームを変える背後にあるアイデアが神経科学の進歩を変えることを強く示唆しています。今日、ほとんどの人にとって、非常に非正統的でありそうもないように思われます。

さて、脳内の量子生物学が奇妙でありそうもないように聞こえるからといって、それが神経科学の次の大きな飛躍の源であると自動的に認定されるわけではありません。しかし、私は、生体システムにおける量子効果をより深く理解することで、私たちの脳と神経系に関する重要な新しい洞察が得られるだろうという予感があります。他の理由がなければ、量子の視点を採用すると、神経科学者は奇妙な答えを探すようになります。彼らがこれまで調査することを考えたことのない素晴らしい場所。

そして、研究者がそれらの奇妙で素晴らしい現象を調べるとき、それらの現象は、素粒子物理学における彼らの絡み合ったいとこのように、それらを振り返るかもしれません！