Er is veel gemaakt over kwantumcomputerprocessen met behulp van ultrakoude atomen en ionen, supergeleidende verbindingen en defecten in diamanten, maar zouden we ze in onze eigen hersenen kunnen uitvoeren?

Het is een vraag die theoretisch fysicus Matthew Fisher van UC Santa Barbara al jaren stelt. Nutsvoorzieningen, als wetenschappelijk directeur van het nieuwe Quantum Brain Project (QuBrain), hij probeert dit onderzoek aan strenge experimentele tests te onderwerpen.

"Mogen wij, onszelf, kwantumcomputers zijn, in plaats van alleen slimme robots die kwantumcomputers ontwerpen en bouwen?", vraagt ​​Fisher.

Sommige functies die de hersenen uitvoeren, blijven de neurowetenschap ontgaan - het substraat dat zeer lange termijn herinneringen 'vasthoudt' en hoe het werkt, bijvoorbeeld. Kwantummechanica, die zich bezighoudt met het gedrag van de natuur op atomair en subatomair niveau, kan mogelijk enkele aanwijzingen ontsluiten. En dat kan op zijn beurt grote gevolgen hebben op vele niveaus, van quantum computing en materiaalwetenschappen tot biologie, geestelijke gezondheid en zelfs wat het is om mens te zijn.

Het idee van quantum computing in onze hersenen is niet nieuw. In feite, het doet al een tijdje de ronde bij sommige wetenschappers, evenals die met minder wetenschappelijke neigingen. Maar Visser, een wereldberoemde expert op het gebied van kwantummechanica, heeft een precieze en unieke set biologische componenten en sleutelmechanismen geïdentificeerd die de basis zouden kunnen vormen voor kwantumverwerking in de hersenen. Met 1,2 miljoen dollar aan subsidies over drie jaar van de Heising-Simons Foundation, Fisher zal de QuBrain-samenwerking lanceren bij UCSB. Samengesteld uit een internationaal team van vooraanstaande wetenschappers op het gebied van kwantumfysica, moleculaire biologie, biochemie, colloïdwetenschap en gedragsneurowetenschappen, het project zal expliciet experimenteel bewijs zoeken om te beantwoorden of we in feite kwantumcomputers zijn.

"We zijn de Heising-Simons Foundation buitengewoon dankbaar voor de gedurfde visie bij het verlenen van dit project op de grens van de kwantum- en neurowetenschappen, "Zei UC Santa Barbara-kanselier Henry T. Yang. "Professor Matthew Fisher is een uitzonderlijke kwantumfysicus, zoals blijkt uit de Oliver E. Buckley-prijs die hij in 2015 deelde voor zijn onderzoek naar kwantumfase-overgangen. Nu stapt hij uit zijn traditionele theoretische onderzoekskader, het samenstellen van een internationaal team van experts om een ​​experimenteel onderzoeksprogramma te ontwikkelen dat zal bepalen of er kwantumprocessen in de hersenen bestaan. Hun onderzoek zou nieuw licht kunnen werpen op hoe de hersenen werken, wat zou kunnen leiden tot nieuwe behandelprotocollen voor de geestelijke gezondheidszorg. Als zodanig, we kijken reikhalzend uit naar de resultaten van de gezamenlijke onderzoeksinspanningen van QuBrain in de komende jaren."

"Als de vraag of kwantumprocessen plaatsvinden in de hersenen bevestigend wordt beantwoord, het zou een revolutie teweeg kunnen brengen in ons begrip en onze behandeling van de hersenfunctie en menselijke cognitie, " zei Matt Helgeson, een UCSB-hoogleraar chemische technologie en associate director bij QuBrain.

Biochemische Qubits

De kenmerken van kwantumcomputers liggen in het gedrag van de oneindig kleine systemen van atomen en ionen, die "qubits" (bijvoorbeeld "spins") kunnen manifesteren die kwantumverstrengeling vertonen. Meerdere qubits kunnen netwerken vormen die coderen, informatie opslaan en verzenden, analoog aan de digitale bits in een conventionele computer. In de kwantumcomputers die we proberen te bouwen, deze effecten worden gegenereerd en gehandhaafd in sterk gecontroleerde en geïsoleerde omgevingen en bij lage temperaturen. Dus de warme, natte hersenen worden niet beschouwd als een gunstige omgeving om kwantumeffecten te vertonen, omdat ze gemakkelijk moeten worden "uitgewassen" door de thermische beweging van atomen en moleculen.

Echter, Fisher stelt dat kernspins (in de kern van het atoom, in plaats van de omringende elektronen) vormen een uitzondering op de regel.

"Extreem goed geïsoleerde kernspins kunnen kwantuminformatie opslaan - en misschien verwerken - op menselijke tijdschalen van uren of langer, " zei hij. Fisher stelt dat fosforatomen - een van de meest voorkomende elementen in het lichaam - de vereiste nucleaire spin hebben die als een biochemische qubit zou kunnen dienen. Een van de experimentele drijfveren van de samenwerking zal zijn om de kwantumeigenschappen van fosfor te monitoren atomen, in het bijzonder verstrengeling tussen twee fosforkernspins wanneer ze aan elkaar zijn gebonden in een molecuul dat biochemische processen ondergaat.

In de tussentijd, Helgeson en Alexej Jerschow, een professor in de chemie aan de New York University, zal de dynamiek en kernspin van Posner-moleculen - bolvormige calciumfosfaat-nanoclusters - onderzoeken en of ze het vermogen hebben om de kernspins van de fosforatoomqubits te beschermen, die de opslag van kwantuminformatie zou kunnen bevorderen. Ze zullen ook het potentieel onderzoeken voor niet-lokale kwantuminformatieverwerking die mogelijk kan worden gemaakt door paarbinding en disassociatie van Posner-moleculen.

Verstrengelde neuronen

In een andere reeks experimenten, Tobias Fromme, een wetenschapper aan de Technische Universiteit van München, zal de potentiële bijdrage van mitochondriën aan verstrengeling en hun kwantumkoppeling aan neuronen bestuderen. Hij zal bepalen of deze cellulaire organellen - die verantwoordelijk zijn voor functies zoals metabolisme en celsignalering - Posner-moleculen binnen en tussen neuronen kunnen transporteren via hun buisvormige netwerken. Fusing en splijting van mitochondriën zou de totstandkoming van niet-lokale intra- en intercellulaire kwantumverstrengeling mogelijk maken. Daaropvolgende disassociatie van Posner-moleculen kan de afgifte van calcium veroorzaken, gecorreleerd over het mitochondriale netwerk, het activeren van de afgifte van neurotransmitters en het daaropvolgende synaptische vuren over wat in wezen een kwantumgekoppeld netwerk van neuronen zou zijn - een fenomeen dat Fromme in vitro zal proberen na te bootsen.

De mogelijkheid van cognitieve kernspinverwerking kwam bij Fisher ten dele door onderzoeken die in de jaren tachtig werden uitgevoerd en die een opmerkelijke afhankelijkheid van lithiumisotoop van het gedrag van moederratten rapporteerden. Hoewel hetzelfde element wordt gegeven, hun gedrag veranderde drastisch, afhankelijk van het aantal neutronen in de lithiumkernen. Wat voor de meeste mensen een verwaarloosbaar verschil zou zijn, was voor een kwantumfysicus als Fisher een fundamenteel significant verschil, suggereert het belang van kernspins. Aaron Ettenberg, UCSB Distinguished Professor of Psychological &Brain Sciences, zal leiden tot onderzoeken die deze lithiumisotoopexperimenten willen repliceren en uitbreiden.

"Hoe waarschijnlijk u de hypothese van Matthew Fisher ook beoordeelt, door het te testen door middel van QuBrain's collaboratieve onderzoeksaanpak, zullen we de neuronale functie onderzoeken met state-of-the-art technologie vanuit volledig nieuwe invalshoeken en met een enorm potentieel voor ontdekking, "zei Fromme. Evenzo, volgens Helgeson, het onderzoek van QuBrain heeft de potentie voor doorbraken op het gebied van biomaterialen, biochemische katalyse, kwantumverstrengeling in oplossingschemie en stemmingsstoornissen bij mensen, ongeacht of er inderdaad kwantumprocessen in de hersenen plaatsvinden.