Onderzoek naar kwantumcomputing in het menselijk brein

• De fosforatomen in ons lichaam hebben de noodzakelijke nucleaire spin die als biochemische qubits zouden kunnen fungeren.
• Wetenschappers bestuderen de nucleaire spin en andere dynamieken van nanoclusters van bolvormige Posner-moleculen, die een rol zouden kunnen spelen als neurale qubits.

Een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van UC Santa Barbara, zal het potentieel van het menselijk brein voor kwantumberekeningen bestuderen. Volgens Matthew Fisher, een theoretisch natuurkundige aan de UCSB, is het mogelijk dat we kwantumverwerking in ons eigen brein uitvoeren.

Het concept van quantum computing in het menselijk brein is niet geheel nieuw. Wetenschappers bestuderen dit al een tijdje. Fisher heeft iets buitengewoons bedacht:een unieke set biologische sleutels die gebruik zouden kunnen maken van quantum computing in onze hersenen.

Tot nu toe heb je alleen gehoord van kwantumcomputers gebaseerd op bevriezende atomen en ionen, defecten in diamanten en supergeleidende verbindingen. Deze studie (Quantum Brain Project) zal echter op zoek gaan naar experimentele gegevens die enkele bizarre vragen kunnen beantwoorden, zoals ‘zijn wij kwantumcomputers’?

Aan het project is in totaal $ 1,2 miljoen toegekend over een periode van drie jaar. Dit onderzoek zou ons kunnen helpen beter te begrijpen hoe onze hersenen werken, wat zou kunnen leiden tot nieuwe mentale behandelingsprocedures.

Ongeacht of onze hersenen quantum computing uitvoeren of niet, deze studie zal aanzienlijke vooruitgang opleveren op het gebied van de oplossingschemie, kwantumverstrengeling, biochemische katalyse, biomateriaal en menselijke stemmingsstoornissen.

Kwantumcomputers

Zoals hierboven vermeld, hangt de kwantumcomputer uitsluitend af van het gedrag van atomen en ionen, die zich in superpositie kunnen bevinden. In plaats van bits te vertegenwoordigen, vertegenwoordigen dergelijke deeltjes qubits die de waarde 1, of 0, of beide tegelijk kunnen aannemen.

Net als digitale bits in traditioneel computergebruik kan een set qubits een netwerk creëren voor het coderen, opslaan en verzenden van informatie. In kwantumcomputers worden qubits gemaakt en onderhouden bij zeer lage temperaturen, in een sterk geïsoleerde en gecontroleerde omgeving.

Aan de andere kant is de temperatuur van het menselijk brein warm en het is zeker geen perfecte omgeving om kwantumeffecten te vertonen vanwege de thermische beweging van atomen en moleculen.

Kwantumverwerking in het menselijk brein

Volgens de Fisher zorgen de kernspins (in de kern van het atoom, en niet in de buurt van elektronen) voor iets ongewoons – iets dat tot nu toe nog niet is onderzocht.

Nucleaire spins, die goed geïsoleerd zijn, kunnen kwantumgegevens urenlang (of misschien langer) opslaan. De fosforatomen (1% van onze lichaamselementen) hebben de noodzakelijke nucleaire spin die kunnen fungeren als biochemische qubits .

Afbeelding tegoed:Peter Allen / UC Santa Barbara

Momenteel volgt het onderzoeksteam de kwantumeigenschappen van fosfor. Concreet zoeken ze naar verstrengeling tussen twee kernspins van fosforatomen wanneer ze aan elkaar gebonden zijn om een molecuul te vormen.

Bron:RSC-publicatie | doi:10.1039/C7CP07720C | UC Santa Barbara

Ondertussen bestudeert een onderzoeksteam van de New York University de nucleaire spin en andere dynamieken van bolvormige Posner-moleculen in nanoclusters. In dit project proberen ze erachter te komen of deze moleculen capabel genoeg zijn om de nucleaire spins van biochemische qubits te beschermen. Bovendien zullen ze zich ook richten op de disassociatie en paarbinding van Posner-moleculen, die niet-lokale kwantumgegevensverwerking mogelijk maken.

Een ander onderzoeksteam van de Technische Universiteit van München zal de rol van mitochondriën bij kwantumkoppeling en -verstrengeling onderzoeken. Het doel is om erachter te komen of deze dubbelmembraangebonden organellen, die verantwoordelijk zijn voor celsignalering en metabolisme, hun buisvormige netwerken kunnen gebruiken om Posner-moleculen tussen neuronen over te brengen.

Fusie en splijting van mitochondriën zouden niet-lokale inter- en intracellulaire kwantumverstrengeling tot stand kunnen brengen. Verdere disassociatie van Posner-moleculen zou calcium kunnen vrijmaken, waardoor de vrijgave van neurotransmitter en synaptisch vuren zou worden geactiveerd, wat niets anders zou zijn dan een kwantumgekoppeld netwerk van neuronen.

Technische details

Tot nu toe hebben onderzoekers de structuur en de spectroscopische vingerafdruk van Posner-moleculen onderzocht. Ze zijn stabiel in vacuüm en hebben S6-symmetrie. Het berekende trillingsspectrum kan dienen als een spectroscopische vingerafdruk, die kan helpen bij de experimentele detectie van Posner-moleculen.

Onzuiverheidskationen zouden een centraal calcium kunnen vervangen, wat zowel botgroei als fosforspin-eigenschappen aangeeft. Het team heeft aangetoond dat het Posner-molecuul een veelbelovende kandidaat is voor beschermde (tegen decoherentie uit de omgeving) kernspins, met mogelijke implicaties voor medische beeldvorming en NMR-kwantumberekeningen in vloeibare toestand.

Lees: Wetenschappers creëren kunstmatige synaps om hersenen op een chip te zetten

Ze hebben een pseudospin-kwantumgetal ontdekt dat coherente kwantumgegevens in Posner-moleculen zou kunnen coderen en een techniek zou kunnen bieden om de rotatievrijheidsgraden (van het Posner-molecuul) te verwarren met zijn nucleaire spin. Deze techniek staat centraal in de rol van het Posner-molecuul als biochemische qubit in het kwantumbreinconcept.