Хабрахабр

[Перевод] Квантовая информация в квантовом сознании

Принято считать, что физик-аспирант не должен касаться некоторых научных задач даже самым кончиком длинного копья — в особенности это относится к пробелам в основаниях квантовой теории. Эти задачи столь сложны, что нет ни малейшего шанса на прогресс. Эти задачи столь туманны, что нет ни малейшего шанса убедить кого-либо обратить внимание на прогресс. Пример такой задачи — роль квантовой физики в формировании сознания.


Credit: dailygalaxy.com

Сама концепция достаточно спорная, и не все моменты ясны (или недостаточно полны) в оригинале. Disclaimer! От переводчика: я перевел этот пост в попытках разобраться в идее. Не беру на себя ответственность домышлять оригинал и оставляю пост в качестве отправной точки для ваших размышлений и обсуждений.

Некоторые места адаптированы, добавлены ссылки. На Хабре уже был пост про идею Фишера, но услышать объяснения от действующих лиц (авторов) всегда любопытно.

На самом деле, мы знаем, что квантовая физика точно играет роль в нашем сознании: законы квантовой физики позволяют атомам оставаться стабильными, а распавшиеся атомы точно не смогут влиять на сознание.

Запутанность проявляется в квантовых корреляциях между квантовыми системами, которые сильнее, чем любые достижимые в классических системах. Но большинство физиков уверены, что полезная квантовая запутанность не может существовать в мозге. Представьте, что вы поместите запутанные молекулы А и Б в чей-то мозг. Запутанность распадается очень быстро в горячих, влажных и шумных средах.
А мозг является как раз такой средой. Чем выше температура среды, тем больше столкновений. Вода, ионы и другие частицы будут сталкиваться с этими молекулами. Чем больше А запутывается со средой, тем меньше А может оставаться запутанной с Б. Частицы среды будут запутываться с молекулами А и Б через электромагнитное взаимодействие. А такую слабую запутанность не получится использовать для каких-то полезных вычислений. В конечном итоге А окажется слегка запутанной со множеством частиц среды. Так что кажется, что квантовая физика вряд ли может значительно влиять на сознание.


Не трожь

Тем не менее, мой научный руководитель, Джон Прескилл, предложил подумать, не будет ли мне интересно поработать над этой темой.

Если не получится, ну и ладно. Попробуй совсем новую тему, — сказал он, — рискни. Ты видела статью Мэттью Фишера о квантовом сознании? Все равно от аспирантов много не ждут.

Он восхваляем и почитаем, в особенности за его работы о сверхпроводниках. Мэттью Фишер — физик-теоретик в университете Калифорнии в Санта-Барбаре. Он знал, конечно, что большинство физиков сомневаются в участии квантовых процессов в формировании сознания. Пару лет назад Мэттью заинтересовался в биохимии. Подумал — и в 2015 написал статью в Анналы Физики, в которой при помощи обратной разработки предложил вариант квантового сознания. Но что если бы это было не так, подумал он, как бы они могли поучаствовать?

Но я доверяю Джону Прескиллу как никому другому на Земле.
Я посмотрю на статью, сказала я. Аспирант ни в коем случае не должен касаться таких задач, даже трехметровой радиоантенной, утверждает здравый смысл.

также статья на хабре). Мэттью предположил, что квантовая физика может влиять на сознание следующим образом (прим.пер. ЯМР используется в магнитно-резонансной томографии (МРТ) для получения изображений человеческого мозга. Экспериментаторы уже производили квантовые вычисления используя одну горячую, мокрую и случайную систему: в ядерном магнитном резонансе (ЯМР). Молекулы в свою очередь состоят из атомов, чьи ядра обладают квантовым свойством, называемым спин. Стандартная ЯМР система состоит из молекул жидкости при высокой температуре. Спины ядер могут кодировать квантовую информацию (КИ).

Он составил список вещей, которые могут разрушить квантовую информацию, и пришел к заключению, что ионы водорода представляют наибольшую угрозу. Мэттью рассуждал: что может помешать спинам ядер хранить квантовую информацию в нашем мозгу? Они могут запутываться со спинами (и приводить к декогеренции) через диполь-дипольное взаимодействие.

Например, спин величиной обнулит электрический квадрупольный момент ядра,  квадрупольные взаимодействия не смогут привести к декогеренции такого спина. Как спин может избежать этой угрозы? В водороде и фосфоре. А в каких атомах в нашем теле спин равняется ? Только водород подвержен другим источникам декогеренции, так что Мэттью пришел к заключению, что атомы фосфора могут хранить КИ в нашем мозгу, при этом спины ядра фосфора работают как кубиты (квантовые биты).

Такие взаимодействия зависят от ориентации спинов относительно их положения в пространстве. От электрических взаимодействий фосфор защищен, а как насчет магнитных диполь-дипольных взаимодействий? Если фосфор является частью маленькой молекулы, болтающейся в биологической жидкости, положение ядра меняется случайным образом, и в среднем взаимодействие окажется нулевым.

Ядра этих атомов могут взаимодействовать со спином фосфора, и разрушать его квантовое состояние. В молекулах есть и другие атомы помимо фосфора. В каких атомах в теле человека спины ядра равны нулю? Этого не произойдет только в одном случае: когда все спины этих ядер равны нулю. Так что фосфор окажется защищенным от взаимодействия с другими атомами в молекулах с кальцием и кислородом. В кислороде и кальции.

А потом обнаружил, что такая молекула действительно описана в научной литературе. Мэттью предложил свой вариант молекулы, которая бы защищала фосфор от декогеренции. Познеры могут существовать в искусственных биожидкостях — жидкостях, созданных для имитации жидкостей внутри нас. Молекула под названием кластер Познера или молекула Познера (я буду называть ее Познер для краткости). Мэттью оценивает, что Познеры могут защищать спины фосфора от декогеренции на протяжении 1-10 дней. Считается, что Познеры могут существовать в наших телах и участвовать в образовании костей.


Молекула Познера (image courtesy of Swift et al.)

Мэттью предложил следующий вариант. Но как Познеры могут влиять на сознание? «Трифосфат» значит, что в ней три иона фосфата — соединения , состоящего из одного атома фосфора и трех атомов кислорода. Молекула аденозина трифосфата (АТФ) является источником энергии для биохимических реакций. Два фосфата могут отделиться от молекулы АТФ, оставаясь соединенными друг с другом.

Этот фермент может разделить пару фосфатов на два независимых фосфата. Пара фосфатов будет дрейфовать, пока не встретит фермент под названием пирофосфатаза. При этом, как предположил Мэттью вместе с Лео Раджиховским, спины ядер фосфора проецируются в синглетное состояние , которое является состоянием с максимальной запутанностью.

Шесть фосфатов могут объединиться с девятью ионами кальция и образовать молекулу Познера. Представьте себе множество фосфатов в биожидкости. Познеры могут быть перенесены через клеточные мембраны белком VGLUT (BNPI). Каждый Познер может обладать шестью общими синглетами с другими Познерами — так образуются целые облака запутанных молекул Познера.
Один сгусток Познеров может попасть в один нейрон, в то время как другой сгусток — в другой нейрон. Представьте два Познера, P и Q, сближающихся в нейроне N. Так два нейрона оказываются также запутанными. Допустим, P был запутан с Познером P’ в нейроне N’. Вычисления квантовой химии показывают, что эти Познеры могут объединиться друг с другом. Если P и Q объединились в нейроне N, запутанность между P и P’ позволит увеличить вероятность объединения P’ и Q’.

Водород и магний могут замещать кальций в Познерах, разбивая молекулы. Объединенные Познеры будут передвигаться медленно — им придется преодолевать сопротивление воды. Освобожденный кальций будет заполнять нейроны N и N’. Фосфаты с отрицательным зарядом будут притягивать положительно заряженные и , точно так же, как фосфаты притягивают . Если два нейрона N и N’ оказываются запутанными через молекулы Познера, два нейрона могут зажечься одновременно.
 
Повышение концентрации кальция приводит к возникновению химического потенциала на аксоне и высвобождению нейромедиаторов, передающих сигнал между двумя нейронами.

Однако, в прошлом году Heising-Simons Foundation выделила Мэттью и коллегам 1. Мы не знаем, работает ли механизм, предложенный Мэттью, в нашем мозгу. 2 миллиона долларов на эксперименты.

Квантовые системы обрабатывают информацию иначе, нежели классические системы. Джон Прескилл сказал мне: допустим, идея Мэттью верна хотя бы частично, и молекулы Познера действительно могут хранить квантовую информацию. И я так и сделала: статья была опубликована в Анналах Физики в этом месяце. Как быстро смогут Познеры обрабатывать квантовую информацию?
Я выбросила мое копье на пятом году аспирантуры, и отправилась из Калтеха на пятимесячную стажировку, зарекшись вернуться со статьей, отвечающей на вопрос Джона.

Элизабет, ныне ассистент профессора в Университете Нью Мексико, в то время работала постдоком в группе Джона. К счастью, я смогла заинтересовать Элизабет Кроссон в моем проекте. Мы дополняли друг друга, обладая одинаковым упрямством, которое заставляло нас продолжать слать письма и обмениваться сообщениями днем и ночью. Мы обе занимались теорией квантовой информации, однако наша квалификация, способности и сильные стороны различались.

Мы разделили нарратив Мэттью на последовательность биохимических шагов, и выяснили как каждый из этих шагов будет преобразовывать КИ, записанную в ядра фосфора. Элизабет и я перевели идеи Мэттью с языка биохимии на математический язык теории КИ. Этот набор преобразований мы назвали операциями Познера. Каждое преобразование мы представили в виде уравнения и элемента блок-схемы (элементы блок-схемы — изображения, которые можно составлять вместе для создания схем работающих алгоритмов).

Как вы можете обрабатывать КИ с помощью таких операций? Представьте, что вы можете произвести операции Познера, приготавливая молекулы, пытаясь соединить их, и т.п. Наше результаты основываются на одном предположении — возможно, ошибочном, — что Мэттью сделал верные заключения. Элизабет и я нашли применения в квантовой передаче сообщений, квантовой регистрации ошибок и квантовых вычислениях. Но это по крайней мере хорошая отправная точка для дальнейших исследований. Мы характеризовали, что можно достичь Познерами, если ими активно управлять, хотя в биожидкостях их направляли бы случайные воздействия.

Во-первых, КИ может быть телепортирована от одного Познера к другому, но при этом возникает шум. Мы обнаружили несколько КИ эффектов, которые могут быть реализованы с молекулами Познера. Это измерение преобразует подпрострнаство Гильбертова пространства двух Познеров через грубое измерение Белла. Его природа в эффективном измерении, которое выполняют Познеры друг на друге при объединении. Если один из битов отбросить, результат измерения будет грубым. Измерение Белла дает один из четырех возможных исходов, или двух битов. Квантовая телепортация требует измерения Белла, и огрубление этого измерения приводит к шумам.

Битом называется случайный параметр, принимающий одно из двух значений, а «тритом» — случайный параметр, который может принять одно из трех возможных значений. Такая зашумленная телепортация также называется сверхплотным кодированием. Трит может быть эффективно телепортирован от одного Познера к другому с помощью запутанности, если напрямую передать между ними один бит.

Ученые разработали программы коррекции и обнаружения ошибок для защиты КИ от декогеренции. Во-вторых, Мэттью утверждал, что структура Познера защищает КИ от декогеренции. Оказывается, что да: Элизабет и я (с помощью бывшего постдока из Калтеха Фернандо Паставски) разработали программу для обнаружения ошибок, которая может работать на Познерах. Могут ли Познеры реализовать такие программы в нашей модели? Один Познер кодирует логический кутрит (квантовая версия трита), и код обнаруживает любую ошибку, которая возникает в одном из шести кубитов в Познере.

Довольно сложным, как мы обнаружили: предположим, вы можете измерить это состояние локально так, что результаты предыдущих измерений будут влиять на измерения в будущем. В-третьих, насколько сложным может быть квантовое состояние, которое можно приготовить с помощью операций Познера? То есть, операции Познера позволяет приготовить состояние, которое может быть использовано для создания универсального квантового компьютера. Вы можете произвести любое квантовое вычисление.

Представьте, что вы приготовили два Познера P и P’, которые запутаны только с другими частицами. Наконец, мы нашли численную оценку на влияние запутанности на скорость объединения Познеров. 6%. Если Познеры сближаются с правильной ориентацией, вероятность их объединения в нашей моделе оказывается равной 33. А если каждый кубит в P максимально запутан с кубитом в P’, вероятность объединения возрастает до 100%.

К моему удивлению, ее восприняли с энтузиазмом: коллеги хвалили рискованность исследований в новом направлении.
Элизабет и я представляем процесс, описанный Мэттью в статье 2015 года, в виде блок-схем.

Я боялась, что другие ученые засмеют нашу работу как безумную. Мы основываемся на предположениях Мэттью, отмечая, что они могут быть ошибочными, и исследуем последствия его предположений. Кроме того, наша работа совсем не безумна: мы не утверждаем, что квантовая физика влияет на сознание. Мы не биохимики, и не экспериментаторы, так что ограничиваемся только утверждениями в теории КИ.

Поставят ли ошибки Мэттью крест на наших исследованиях? Возможно, Познеры не могут сохранить когерентность достаточно долго для использования квантовых эффектов в обработке информации. Познеры побудили нас к идеям и вопросам в теории КИ. Нет. Эти схемы частично стали мотивацией к появлению новой области исследований, возникшей прошлым летом и теперь набирающей обороты. Например, наши квантовые схемы иллюстрируют взаимодействия (унитарные гейты) и измерения, производимые объединяющимися Познерами. Унитарные взаимодействия запутывают кубиты, а измерения — разрушают запутанность. Возьмем случайные унитарные гейты, перемежаемые измерениями. Перейдет ли система из состояния «в значительной части запутана» к «в значительной части не запутана» при заданной частоте измерений? Какое из влияний окажется более значимым?   Исследователи из Santa Barbara и Colorado; MIT; Oxford; Lancaster, UK; Berkeley; Stanford; и Princeton занялись этим вопросом.

Но я рада, что я попыталась: я многому научилась, сделала вклад в науку, и это было приключением. Физик-асприант, как принято считать, не должен касаться квантового сознания даже алебардой Швейцарского гвардейца. Версия для arXiv здесь, а здесь — доклад о статье. А если кто-то не одобряет такой дерзости, я могу винить Джона Прескилла.

Статью «Quantum information in the Posner model of quantum cognition» можно найти здесь.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть