Mengapa Anda Harus Peduli Tentang Ilmu Saraf Kuantum

Jika Anda belum pernah mendengar, ilmu Quantum sangat panas saat ini, dengan perbincangan yang heboh tentang komputer kuantum yang sangat kuat, komunikasi kuantum yang sangat efisien, dan keamanan dunia maya yang tidak dapat ditembus melalui enkripsi kuantum.

Mengapa semua hype?

Sederhananya, sains Quantum menjanjikan lompatan besar ke depan alih-alih langkah kecil yang biasa kita lakukan melalui sains sehari-hari. Ilmu pengetahuan sehari-hari, misalnya, memberi kita komputer baru yang berdaya ganda setiap 2-3 tahun, sedangkan ilmu Quantum menjanjikan komputer dengan banyak komputer triliunan kali lebih banyak tenaga daripada komputer paling berotot yang tersedia saat ini.

Dengan kata lain, ilmu Quantum, jika berhasil, akan menghasilkan pergeseran seismik dalam teknologi yang akan membentuk kembali dunia seperti yang kita kenal, bahkan dengan cara yang lebih mendalam daripada yang dilakukan oleh Internet atau smartphone.

Kemungkinan menakjubkan dari ilmu Quantum semuanya muncul dari satu kebenaran sederhana: fenomena kuantum benar-benar melanggar aturan yang membatasi apa yang dapat dicapai oleh fenomena "klasik" (normal).

Dua contoh di mana sains Quantum membuat apa yang dulunya tidak mungkin tiba-tiba menjadi mungkin, adalah superposisi kuantum dan belitan kuantum.

Mari kita bahas superposisi kuantum terlebih dahulu.

Dalam dunia normal, sebuah benda seperti bola bisbol hanya dapat berada di satu tempat pada satu waktu. Tetapi di dunia kuantum, partikel seperti elektron dapat menempati tempat yang tak terbatas pada waktu bersamaan, ada dalam apa yang oleh fisikawan disebut superposisi dari beberapa keadaan. Jadi di dunia kuantum, satu hal terkadang berperilaku seperti banyak hal yang berbeda.

Sekarang mari kita periksa keterjeratan kuantum dengan memperluas analogi bisbol lebih jauh. Dalam dunia normal, dua bola basket yang duduk di loker gelap di stadion liga utama di Los Angeles dan Boston benar-benar independen satu sama lain, sehingga jika Anda membuka salah satu loker penyimpanan untuk melihat satu bola bisbol, sama sekali tidak akan terjadi apa-apa pada bola bisbol lainnya. di loker penyimpanan gelap yang berjarak 3.000 mil. Tetapi di dunia kuantum, dua partikel individu, seperti foton bisa terjerat, sedemikian rupa sehingga tindakan merasakan satu foton dengan detektor secara instan memaksa foton lainnya, tidak peduli seberapa jauh, untuk mengambil keadaan tertentu.

Keterikatan semacam itu berarti bahwa di alam semesta kuantum, beberapa entitas berbeda terkadang dapat berperilaku sebagai entitas tunggal, tidak peduli seberapa jauh entitas berbeda tersebut.

Ini akan sama dengan mengubah keadaan satu bola bisbol — katakanlah, memaksanya berada di rak atas vs. bawah dari loker penyimpanan — cukup dengan membuka loker penyimpanan sejauh 3.000 mil dan menatap seluruhnya berbeda baseball.

Perilaku "tidak mungkin" ini membuat entitas kuantum ideal untuk melakukan hal yang tidak mungkin dengan, misalnya, komputer. Di komputer normal, bit informasi yang disimpan bisa nol atau satu, tetapi di komputer kuantum, bit yang tersimpan, disebut Qubit (bit kuantum), keduanya nol dan satu pada saat yang sama. Jadi, di mana penyimpanan memori sederhana 8 bit dapat berisi nomor individual apa pun dari 0 hingga 255 (2 ^ 8 = 256), memori 8 Qubit dapat menyimpan 2 ^ 8 = 256 nomor terpisah semua sekaligus! Kemampuan untuk menyimpan lebih banyak informasi secara eksponensial adalah mengapa komputer kuantum menjanjikan lompatan kuantum dalam kekuatan pemrosesan.

Dalam contoh di atas, memori 8 bit di komputer kuantum menyimpan 256 angka antara 0 dan 255 sekaligus sementara memori 8 bit di komputer biasa hanya menyimpan 1 angka antara 0 dan 255 pada satu waktu. Sekarang bayangkan memori kuantum 24 bit (2 ^ 24 = 16.777.216) dengan hanya 3 kali lebih banyak Qubit daripada memori pertama kita: itu bisa menyimpan kekalahan 16.777.216 nomor berbeda sekaligus!

Yang membawa kita ke persimpangan antara sains Quantum dan neurobiologi. Otak manusia adalah prosesor yang jauh lebih kuat daripada komputer mana pun yang ada saat ini: apakah ia mencapai sebagian dari kekuatan luar biasa ini dengan memanfaatkan keanehan kuantum dengan cara yang sama seperti yang dilakukan komputer kuantum?

Hingga baru-baru ini, fisikawan menjawab pertanyaan itu dengan mantap "Tidak".

Fenomena kuantum seperti superposisi bergantung pada isolasi fenomena tersebut dari lingkungan sekitarnya, terutama panas di lingkungan yang membuat partikel bergerak, mengganggu rumah kuantum kartu superposisi yang sangat halus dan memaksa partikel tertentu menempati titik A atau titik B , tetapi tidak pernah keduanya pada saat bersamaan.

Jadi, ketika para ilmuwan mempelajari fenomena kuantum, mereka berusaha keras untuk mengisolasi materi yang mereka pelajari dari lingkungan sekitarnya, biasanya dengan menurunkan suhu dalam eksperimen mereka ke hampir nol absolut.

Tetapi bukti semakin banyak dari dunia fisiologi tumbuhan bahwa beberapa proses biologis yang bergantung pada superposisi kuantum terjadi pada suhu normal, meningkatkan kemungkinan bahwa dunia mekanika kuantum yang tak terbayangkan mungkin benar-benar mengganggu cara kerja sistem biologis lain setiap hari, seperti kita. sistem saraf.

Misalnya, pada Mei 2018, tim peneliti di Universitas Groningen yang menyertakan fisikawan Thomas la Cour Jansen menemukan bukti bahwa tumbuhan dan beberapa bakteri fotosintetik mencapai efisiensi hampir 100%, mengubah sinar matahari menjadi energi yang dapat digunakan dengan mengeksploitasi fakta bahwa penyerapan energi matahari menyebabkan beberapa elektron masuk. Molekul penangkap cahaya untuk secara bersamaan ada dalam keadaan kuantum tereksitasi dan tidak tereksitasi tersebar di jarak yang relatif jauh di dalam pabrik, memungkinkan elektron tereksitasi cahaya untuk menemukan jalur paling efisien dari molekul di mana cahaya ditangkap ke molekul berbeda di mana energi yang dapat digunakan untuk tanaman dibuat.

Evolusi, dalam upayanya yang tiada henti untuk merekayasa bentuk kehidupan yang paling hemat energi, tampaknya telah mengabaikan keyakinan fisikawan bahwa efek kuantum yang berguna tidak dapat terjadi di lingkungan biologi yang hangat dan basah.

Penemuan efek kuantum dalam biologi tumbuhan telah memunculkan bidang ilmu baru yang disebut biologi kuantum. Dalam beberapa tahun terakhir, ahli biologi kuantum telah menemukan bukti sifat mekanik kuantum dalam persepsi medan magnet di mata beberapa burung (memungkinkan burung untuk menavigasi selama migrasi), dan dalam aktivasi reseptor bau pada manusia. Peneliti penglihatan juga menemukan bahwa fotoreseptor di retina manusia mampu menghasilkan sinyal listrik dari penangkapan kuanta tunggal energi cahaya.

Apakah evolusi juga membuat otak kita sangat efisien dalam menghasilkan energi yang dapat digunakan atau mentransmisikan dan menyimpan informasi di antara neuron menggunakan efek kuantum seperti superposisi dan keterjeratan?

Ilmuwan saraf sedang menyelidiki kemungkinan ini paling awal, tetapi saya salah satunya bersemangat tentang bidang ilmu saraf kuantum yang baru lahir karena hal itu dapat menyebabkan terobosan yang mencengangkan dalam pemahaman kita tentang otak.

Saya mengatakan ini karena sejarah sains mengajarkan kepada kita bahwa terobosan terbesar hampir selalu datang dari ide-ide yang, sebelum terobosan tertentu terjadi, terdengar sangat aneh. Penemuan Einstein bahwa ruang dan waktu adalah hal yang sama (relativitas umum) adalah salah satu contohnya, penemuan Darwin bahwa manusia berevolusi dari bentuk kehidupan yang lebih primitif, adalah contoh lain. Dan tentu saja, penemuan mekanika kuantum Planck, Einstein dan Bohr, adalah hal lain.

Semua itu secara kuat menyiratkan bahwa gagasan di balik permainan masa depan yang mengubah kemajuan dalam ilmu saraf, hari ini bagi kebanyakan orang tampaknya sangat tidak ortodoks dan mustahil.

Sekarang, hanya karena biologi kuantum di otak terdengar aneh dan tidak mungkin tidak secara otomatis memenuhi syarat untuk menjadi sumber lompatan besar berikutnya dalam ilmu saraf. Tetapi saya memiliki firasat bahwa pemahaman yang lebih dalam tentang efek kuantum dalam sistem kehidupan akan menghasilkan wawasan baru yang penting tentang otak dan sistem saraf kita, jika tidak ada alasan lain, bahwa mengadopsi sudut pandang kuantum akan menyebabkan ilmuwan saraf mencari jawaban dengan cara yang aneh dan aneh. tempat-tempat indah yang tidak pernah mereka pertimbangkan untuk diselidiki sebelumnya.

Dan ketika para penyelidik melihat ke dalam fenomena aneh dan indah itu, fenomena itu, mungkin, seperti sepupu mereka yang menjerat dalam fisika partikel, melihat kembali pada mereka!