양자 신경 과학에 관심을 가져야하는 이유

듣지 못한 경우, 양자 과학은 상상할 수 없을 정도로 강력한 양자 컴퓨터, 초 고효율 양자 통신 및 양자 암호화를 통한 뚫을 수없는 사이버 보안에 대한 흥분된 이야기로 현재 뜨겁습니다.

왜 모든 과대 광고?

간단히 말해서, 양자 과학은 일상 과학을 통해 우리가 익숙해 져온 아기 단계가 아닌 거대한 도약을 약속합니다. 예를 들어, 일상 과학은 2 ~ 3 년마다 전력이 두 배로 증가하는 새로운 컴퓨터를 제공하는 반면 양자 과학은 수조 번 오늘날 사용 가능한 가장 강력한 컴퓨터보다 더 강력합니다.

즉, 양자 과학이 성공한다면 인터넷이나 스마트 폰보다 훨씬 더 심오한 방식으로 우리가 알고있는 세상을 바꿀 기술의 지진적인 변화를 가져올 것입니다.

양자 과학의 놀라운 가능성은 모두 하나의 단순한 진실에서 비롯됩니다. 양자 현상은 "고전적인"(정상적인) 현상이 달성 할 수있는 것을 제한하는 규칙을 완전히 깨뜨립니다.

양자 과학이 예전에 불가능했던 것을 갑자기 가능하게 만드는 두 가지 예는 양자 중첩과 양자 얽힘입니다.

먼저 양자 중첩에 대해 살펴 보겠습니다.

일반 세계에서 야구와 같은 물체는 한 번에 한 장소에만있을 수 있습니다. 그러나 양자 세계에서 전자와 같은 입자는 무한한 수의 장소를 차지할 수 있습니다. 동시에 물리학 자들이 다중 상태의 중첩이라고 부르는 곳에 존재합니다. 따라서 양자 세계에서 한 가지가 때로는 여러 가지처럼 작동합니다.

이제 야구 비유를 좀 더 확장하여 양자 얽힘을 살펴 보겠습니다. 정상적인 세계에서 로스 앤젤레스와 보스턴의 메이저 리그 스타디움에있는 어두운 사물함에 앉아있는 두 개의 야구는 서로 완전히 독립되어 있으므로 보관함 중 하나를 열어서 하나의 야구를 볼 경우 다른 야구에는 아무런 일도 일어나지 않습니다. 3,000 마일 떨어진 어두운 보관함에서 그러나 양자 세계에서는 광자와 같은 두 개의 개별 입자가 할 수있다 하나의 광자를 검출기로 감지하는 단순한 행위만으로도 아무리 멀리 떨어져 있어도 다른 광자가 특정 상태를 취하도록 순간적으로 강제합니다.

이러한 얽힘은 양자 우주에서 별개의 독립 체가 얼마나 멀리 떨어져 있더라도 여러 개의 별개의 독립 체가 때때로 단일 독립 체로 행동 할 수 있음을 의미합니다.

이것은 야구 공 하나의 상태를 변경하는 것과 동일합니다. 예를 들어, 보관함의 상단과 하단 선반에 있도록 강제하는 방식으로, 3,000 마일 떨어진 곳에 보관함을 열고 전체를 응시하기 만하면됩니다. 다른 야구.

이러한 "불가능한"행동은 예를 들어 컴퓨터로 불가능한 일을하는 데 이상적인 양자 엔티티를 만듭니다. 일반 컴퓨터에서 저장된 정보 비트는 0 또는 1이지만 양자 컴퓨터에서는 Qubit (양자 비트)라고하는 저장된 비트가 동시에 0과 1입니다. 따라서 8 비트의 단순 메모리 저장소에 0에서 255 (2 ^ 8 = 256)까지의 개별 숫자가 포함될 수있는 경우 8Qubit의 메모리는 2 ^ 8 = 256을 저장할 수 있습니다. 별도의 번호 한 번에! 기하 급수적으로 더 많은 정보를 저장할 수있는 능력은 양자 컴퓨터가 처리 능력의 비약적인 도약을 약속하는 이유입니다.

위의 예에서 양자 컴퓨터의 8 비트 메모리는 0에서 255 사이의 256 개의 숫자를 한 번에 저장하는 반면 일반 컴퓨터의 8 비트 메모리는 한 번에 0에서 255 사이의 숫자 만 저장합니다. 이제 첫 번째 메모리보다 3 배 더 많은 Qubit를 가진 24 비트 양자 메모리 (2 ^ 24 = 16,777,216)를 상상해보십시오. 16,777,216 개의 다른 숫자를 한번에!

이것은 양자 과학과 신경 생물학의 교차점으로 우리를 안내합니다. 인간의 두뇌는 오늘날 사용 가능한 어떤 컴퓨터보다 훨씬 더 강력한 프로세서입니다. 양자 컴퓨터가하는 것과 같은 방식으로 양자 기이함을 활용함으로써이 놀라운 힘을 얻을 수 있을까요?

최근까지이 질문에 대한 물리학 자들의 대답은“아니오”였습니다.

중첩과 같은 양자 현상은 주변 환경, 특히 입자를 움직이는 환경에서 열을 분리하고 중첩 카드의 초 섬세한 양자 하우스를 혼란스럽게하며 특정 입자가 지점 A 또는 지점 B를 차지하도록하는 데 의존합니다. ,하지만 동시에 두 가지를 모두 사용해서는 안됩니다.

따라서 과학자들이 양자 현상을 연구 할 때 일반적으로 실험에서 온도를 거의 절대 영도에 가깝게 낮춤으로써 연구중인 물질을 주변 환경으로부터 분리하기 위해 많은 노력을 기울입니다.

그러나 양자 중첩에 의존하는 일부 생물학적 과정이 정상 온도에서 발생한다는 증거가 식물 생리학의 세계에서 증가하고 있으며, 이는 상상할 수 없을 정도로 이상한 양자 역학 세계가 실제로 우리와 같은 다른 생물학적 시스템의 일상적인 작업에 침입 할 가능성을 높입니다. 신경계.

예를 들어, 2018 년 5 월 물리학 자 Thomas la Cour Jansen을 포함한 Groningen University의 연구팀은 태양 에너지의 흡수가 일부 전자를 생성한다는 사실을 이용하여 식물과 일부 광합성 박테리아가 햇빛을 사용 가능한 에너지로 변환하는 효율을 거의 100 % 달성한다는 증거를 발견했습니다. 빛을 포착하는 분자는 식물 내부에서 비교적 먼 거리에 퍼져있는 여기 및 비 여기 양자 상태 모두에 동시에 존재하여 빛이 여기 된 전자가 빛이 포착되는 분자에서 사용 가능한 에너지가있는 다른 분자로 가장 효율적인 경로를 찾을 수 있도록합니다. 플랜트가 생성됩니다.

가장 에너지 효율적인 생명체를 설계하려는 끊임없는 탐구에서 진화는 따뜻하고 습한 생물학 환경에서는 유용한 양자 효과가 발생할 수 없다는 물리학 자들의 믿음을 무시한 것으로 보입니다.

식물 생물학에서 양자 효과의 발견으로 양자 생물학이라는 완전히 새로운 과학 분야가 생겨났습니다. 지난 몇 년 동안 양자 생물 학자들은 일부 새의 눈 (새가 이동 중에 탐색 할 수있게 함)의 자기장 인식과 인간의 후각 수용체 활성화에서 양자 역학적 특성에 대한 증거를 발견했습니다. 시각 연구자들은 또한 인간 망막의 광 수용체가 단일 양자의 빛 에너지를 포착하여 전기 신호를 생성 할 수 있음을 발견했습니다.

진화는 또한 우리의 두뇌가 사용 가능한 에너지를 생성하거나 중첩 및 얽힘과 같은 양자 효과를 사용하여 뉴런간에 정보를 전송 및 저장하는 데 매우 효율적으로 만들었습니까?

신경 과학자들은이 가능성을 조사하는 초기 단계에 있지만 양자 신경 과학의 초기 분야에 대해 흥분을 느낍니다. 왜냐하면 뇌에 대한 우리의 이해에있어 획기적인 돌파구를 가져올 수 있기 때문입니다.

나는 과학의 역사가 우리에게 가장 큰 돌파구는 거의 항상 특정한 돌파구가 일어나기 전에 믿을 수 없을 정도로 이상하게 들리는 아이디어에서 비롯된다는 것을 가르쳐주기 때문입니다. 공간과 시간이 실제로 똑같다는 아인슈타인의 발견 (일반 상대성 이론)은 하나의 예이며, 인간이 더 원시적 인 생명체로부터 진화했다는 다윈의 발견은 또 다른 것입니다. 물론 플랑크, 아인슈타인, 보어의 양자 역학 발견은 또 다른 일입니다.

이 모든 것은 내일의 게임 변화에 대한 신경 과학의 발전 뒤에 숨은 아이디어가 오늘날 대부분의 사람들에게 매우 비 정통적이고 가능성이없는 것처럼 보일 것임을 강력하게 암시합니다.

이제, 뇌의 양자 생물학이 이상하고 가능성이 없다고 들리기 때문에 그것이 자동으로 신경 과학에서 다음 거대한 도약의 원천이 될 수있는 자격을 부여하지는 않습니다. 그러나 저는 다른 이유없이 양자 관점을 채택하면 신경 과학자들이 이상하게 답을 찾게 될 것이라는 점을 다른 이유없이 살아있는 시스템의 양자 효과에 대한 더 깊은 이해가 우리의 뇌와 신경계에 대한 중요한 새로운 통찰을 얻을 것이라는 직감이 있습니다. 그들이 전에 조사를 고려하지 않은 멋진 장소.

그리고 조사자들이 그 이상하고 놀라운 현상들을 조사 할 때, 그 현상들은 입자 물리학에서 얽힌 사촌들처럼 그들을 돌아볼 수 있습니다!