Perché dovresti preoccuparti delle neuroscienze quantistiche

Nel caso non l'avessi sentito, la scienza quantistica è incandescente in questo momento, con discorsi entusiasti di computer quantistici inimmaginabilmente potenti, comunicazioni quantistiche ultra efficienti e sicurezza informatica impenetrabile attraverso la crittografia quantistica.

Perché tutto il clamore?

In poche parole, la scienza quantistica promette passi da gigante invece dei piccoli passi a cui ci siamo abituati attraverso la scienza di tutti i giorni. La scienza quotidiana, ad esempio, ci offre nuovi computer che raddoppiano la potenza ogni 2-3 anni, mentre la scienza quantistica promette computer con molti trilioni di volte più potenza del computer più potente oggi disponibile.

In altre parole, la scienza quantistica, se avrà successo, produrrà un cambiamento sismico nella tecnologia che rimodellerà il mondo come lo conosciamo, in modi ancora più profondi di quanto abbiano fatto Internet o gli smartphone.

Le possibilità mozzafiato della scienza quantistica derivano tutte da una semplice verità: i fenomeni quantistici infrangono completamente le regole che limitano ciò che i fenomeni "classici" (normali) possono realizzare.

Due esempi in cui la scienza quantistica rende improvvisamente possibile ciò che prima era impossibile, sono la sovrapposizione quantistica e l'entanglement quantistico.

Affrontiamo prima la sovrapposizione quantistica.

Nel mondo normale, un oggetto come una palla da baseball può essere solo in un posto alla volta. Ma nel mondo quantistico, una particella come un elettrone può occupare un numero infinito di posti allo stesso tempo, esistente in quella che i fisici chiamano una sovrapposizione di stati multipli. Quindi, nel mondo quantistico, una cosa a volte si comporta come molte cose diverse.

Esaminiamo ora l'entanglement quantistico estendendo l'analogia del baseball un po 'oltre. Nel mondo normale due palle da baseball sedute in armadietti bui negli stadi della major league a Los Angeles e Boston sono totalmente indipendenti l'una dall'altra, in modo tale che se aprissi uno degli armadietti per guardare una palla da baseball, non succederebbe assolutamente nulla all'altra palla da baseball. in un armadietto buio a 3000 miglia di distanza. Ma nel mondo quantistico, due singole particelle, come i fotoni può essere impigliato, in modo tale che il semplice atto di rilevare un fotone con un rilevatore costringe istantaneamente l'altro fotone, non importa quanto lontano, ad assumere uno stato particolare.

Tale entanglement significa che nell'universo quantistico, più entità distinte a volte possono comportarsi come una singola entità, non importa quanto distanti siano le entità distinte.

Sarebbe l'equivalente di cambiare lo stato di una palla da baseball, ad esempio costringendola a trovarsi sullo scaffale più in alto o in basso di un armadietto, semplicemente aprendo un armadietto a 3000 miglia di distanza e guardando completamente diverso baseball.

Questi comportamenti "impossibili" rendono le entità quantistiche ideali per fare l'impossibile con, ad esempio, i computer. Nei computer normali un bit di informazione memorizzato è zero o uno, ma in un computer quantistico un bit memorizzato, chiamato Qubit (bit quantistico), è zero e uno allo stesso tempo. Quindi, dove una semplice memoria di 8 bit può contenere qualsiasi numero individuale da 0 a 255 (2 ^ 8 = 256), una memoria di 8 Qubits può memorizzare 2 ^ 8 = 256 numeri separati tutto in una volta! La capacità di memorizzare in modo esponenziale più informazioni è il motivo per cui i computer quantistici promettono un salto di qualità nella potenza di elaborazione.

Nell'esempio precedente, una memoria a 8 bit in un computer quantistico memorizza 256 numeri tra 0 e 255 tutti in una volta mentre una memoria a 8 bit in un normale computer memorizza solo 1 numero tra 0 e 255 alla volta. Ora immagina una memoria quantistica a 24 bit (2 ^ 24 = 16.777.216) con solo 3 volte più Qubit della nostra prima memoria: potrebbe immagazzinare un enorme 16.777.216 numeri diversi contemporaneamente!

Il che ci porta all'intersezione tra scienza quantistica e neurobiologia. Il cervello umano è un processore molto più potente di qualsiasi computer oggi disponibile: raggiunge parte di questo fantastico potere sfruttando la stranezza quantistica nello stesso modo in cui lo fanno i computer quantistici?

Fino a tempi molto recenti, la risposta dei fisici a questa domanda è stata un clamoroso "No".

Fenomeni quantistici come la sovrapposizione si basano sull'isolamento di quei fenomeni dall'ambiente circostante, in particolare il calore nell'ambiente che mette in movimento le particelle, sconvolgendo il delicatissimo castello quantistico di sovrapposizione e costringendo una particolare particella ad occupare il punto A o il punto B , ma mai entrambi allo stesso tempo.

Pertanto, quando gli scienziati studiano i fenomeni quantistici, fanno di tutto per isolare il materiale che stanno studiando dall'ambiente circostante, di solito abbassando la temperatura nei loro esperimenti quasi allo zero assoluto.

Ma la prova sta aumentando dal mondo della fisiologia vegetale che alcuni processi biologici che si basano sulla sovrapposizione quantistica avvengono a temperature normali, aumentando la possibilità che un mondo inimmaginabilmente strano della meccanica quantistica possa effettivamente intromettersi nel funzionamento quotidiano di altri sistemi biologici, come il nostro sistemi nervosi.

Ad esempio, nel maggio 2018 un gruppo di ricerca presso l'Università di Groningen che includeva il fisico Thomas la Cour Jansen ha trovato prove che le piante e alcuni batteri fotosintetici raggiungono un'efficienza quasi del 100% convertendo la luce solare in energia utilizzabile sfruttando il fatto che l'assorbimento di energia solare causa alcuni elettroni in le molecole che catturano la luce esistono simultaneamente negli stati quantici eccitati e non eccitati sparsi su distanze relativamente lunghe all'interno della pianta, consentendo agli elettroni eccitati dalla luce di trovare il percorso più efficiente dalle molecole in cui la luce viene catturata verso molecole diverse dove l'energia utilizzabile perché la pianta è creata.

L'evoluzione, nella sua incessante ricerca per progettare le forme di vita più efficienti dal punto di vista energetico, sembra aver ignorato la convinzione dei fisici che utili effetti quantistici non possano verificarsi negli ambienti caldi e umidi della biologia.

La scoperta degli effetti quantistici nella biologia vegetale ha dato origine a un campo della scienza completamente nuovo chiamato biologia quantistica. Negli ultimi anni, i biologi quantistici hanno portato alla luce le prove delle proprietà meccaniche quantistiche nella percezione del campo magnetico negli occhi di alcuni uccelli (consentendo agli uccelli di navigare durante la migrazione) e nell'attivazione dei recettori dell'olfatto negli esseri umani. I ricercatori della visione hanno anche scoperto che i fotorecettori nella retina umana sono in grado di generare segnali elettrici dalla cattura di un singolo quanti di energia luminosa.

L'evoluzione ha anche reso il nostro cervello iper-efficiente nel generare energia utilizzabile o nel trasmettere e immagazzinare informazioni tra i neuroni usando effetti quantistici come la sovrapposizione e l'entanglement?

I neuroscienziati sono all'inizio dello studio di questa possibilità, ma io per primo sono entusiasta del campo nascente della neuroscienza quantistica perché potrebbe portare a scoperte sbalorditive nella nostra comprensione del cervello.

Dico questo perché la storia della scienza ci insegna che le scoperte più grandi provengono quasi sempre da idee che, prima che si verifichi una svolta particolare, suonano incredibilmente strane. La scoperta di Einstein che spazio e tempo sono davvero la stessa cosa (relatività generale) è un esempio, la scoperta di Darwin che gli esseri umani si sono evoluti da forme di vita più primitive è un altro. E, naturalmente, la scoperta della meccanica quantistica da parte di Planck, Einstein e Bohr in primo luogo, è ancora un'altra.

Tutto ciò implica fortemente che le idee alla base del cambiamento di gioco di domani avanzano nelle neuroscienze, oggi sembreranno alla maggior parte delle persone altamente non ortodosse e improbabili.

Ora, solo perché la biologia quantistica nel cervello suona strana e improbabile non la qualifica automaticamente come la fonte del prossimo gigantesco balzo in avanti nelle neuroscienze. Ma ho la sensazione che una comprensione più profonda degli effetti quantistici nei sistemi viventi produrrà nuove importanti intuizioni sul nostro cervello e sul nostro sistema nervoso, se non altro, che l'adozione di un punto di vista quantistico farà sì che i neuroscienziati cerchino risposte in modi strani e posti meravigliosi che non avevano mai considerato di indagare prima.

E quando gli investigatori esaminano quegli strani e meravigliosi fenomeni, quei fenomeni, potrebbero, come i loro cugini intricati nella fisica delle particelle, guardarli indietro!