Por qué debería preocuparse por la neurociencia cuántica

Indicios de un futuro increíblemente emocionante.

En caso de que no lo hayas escuchado, la ciencia cuántica está alucinada en este momento, con conversaciones emocionadas sobre computadoras cuánticas inimaginablemente poderosas, comunicación cuántica ultra eficiente y seguridad cibernética impenetrable a través de encriptación cuántica.

¿Por qué todo el bombo?

En pocas palabras, la ciencia cuántica promete grandes avances en lugar de los pequeños pasos a los que nos hemos acostumbrado a través de la ciencia cotidiana. La ciencia cotidiana, por ejemplo, nos da nuevas computadoras que duplican su potencia cada 2 o 3 años, mientras que la ciencia cuántica promete computadoras con muchos billones de veces más potencia que la computadora más potente disponible en la actualidad.

En otras palabras, la ciencia cuántica, si tiene éxito, producirá un cambio sísmico en la tecnología que remodelará el mundo como lo conocemos, de manera aún más profunda que la que hicieron los teléfonos inteligentes o Internet.

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Las impresionantes posibilidades de la ciencia cuántica surgen de una sola verdad: los fenómenos cuánticos rompen completamente las reglas que limitan lo que pueden lograr los fenómenos “clásicos” (normales).

Dos ejemplos en los que la ciencia cuántica hace posible lo que solía ser imposible de repente, son la superposición cuántica y el entrelazamiento cuántico.

Vamos a abordar primero la superposición cuántica.

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En el mundo normal, un objeto como una pelota de béisbol solo puede estar en un lugar al mismo tiempo. Pero en el mundo cuántico, una partícula como un electrón puede ocupar un número infinito de lugares al mismo tiempo, existiendo en lo que los físicos llaman una superposición de múltiples estados. Entonces, en el mundo cuántico, una cosa a veces se comporta como muchas cosas diferentes.

Superposición

Fuente: CC0

Ahora examinemos el entrelazamiento cuántico extendiendo un poco más la analogía del béisbol. En el mundo normal, dos pelotas de béisbol sentadas en casilleros oscuros en los estadios de las Grandes Ligas en Los Ángeles y Boston son totalmente independientes entre sí, por lo que si abres uno de los casilleros de almacenamiento para mirar una pelota de béisbol, nada le pasará a la otra. en un armario oscuro de almacenamiento a 3,000 millas de distancia. Pero en el mundo cuántico, dos partículas individuales, como los fotones, pueden enredarse, de modo que el mero acto de detectar un fotón con un detector obliga instantáneamente al otro fotón, sin importar lo lejos que esté, a asumir un estado particular.

Tal enredo significa que en el universo cuántico, varias entidades distintas a veces pueden comportarse como una sola entidad, sin importar cuán alejadas estén las distintas entidades.

Esto equivaldría a cambiar el estado de una pelota de béisbol, por ejemplo, obligarla a estar en el estante superior frente al inferior de un casillero de almacenamiento, simplemente abriendo un casillero de almacenamiento a 3,000 millas de distancia y contemplando una pelota de béisbol completamente diferente .

Estos comportamientos “imposibles” hacen que las entidades cuánticas sean ideales para hacer lo imposible con, por ejemplo, las computadoras. En las computadoras normales, un bit de información almacenado es cero o uno, pero en una computadora cuántica, un bit almacenado, llamado Qubit (bit cuántico), es a la vez cero y uno. Por lo tanto, cuando un almacén de memoria simple de 8 bits puede contener cualquier número individual de 0 a 255 (2 ^ 8 = 256), una memoria de 8 Qubits puede almacenar 2 ^ 8 = 256 números separados, ¡ todos a la vez! La capacidad de almacenar exponencialmente más información es la razón por la cual las computadoras cuánticas prometen un gran salto en la capacidad de procesamiento.

En el ejemplo anterior, una memoria de 8 bits en una computadora cuántica almacena 256 números entre 0 y 255 a la vez, mientras que una memoria de 8 bits en una computadora ordinaria almacena solo 1 número entre 0 y 255 a la vez. Ahora imagine una memoria cuántica de 24 bits (2 ^ 24 = 16,777,216) con solo 3 veces más Qubits que nuestra primera memoria: ¡podría almacenar la friolera de 16,777,216 números diferentes a la vez!

Lo que nos lleva a la intersección de la ciencia cuántica y la neurobiología. El cerebro humano es un procesador mucho más poderoso que cualquier computadora disponible en la actualidad: ¿logra algo de este asombroso poder al aprovechar la rareza cuántica de la misma manera que lo hacen las computadoras cuánticas?

Hasta hace muy poco, la respuesta de los físicos a esa pregunta ha sido un rotundo “No”.

Los fenómenos cuánticos, como la superposición, se basan en aislar esos fenómenos del entorno circundante, especialmente el calor en el entorno que pone en movimiento las partículas, alterando la casa de cartas de superposición cuántica hiper-delicada y obligando a una partícula particular a ocupar el punto A o el punto B , pero nunca ambos al mismo tiempo.

Por lo tanto, cuando los científicos estudian los fenómenos cuánticos hacen todo lo posible para aislar el material que están estudiando del entorno circundante, generalmente reduciendo la temperatura en sus experimentos a casi el cero absoluto.

Pero desde el mundo de la fisiología vegetal se están acumulando pruebas de que algunos procesos biológicos que dependen de la superposición cuántica ocurren a temperaturas normales, lo que aumenta la posibilidad de que un mundo inimaginablemente extraño de la mecánica cuántica pueda interferir en el funcionamiento cotidiano de otros sistemas biológicos, como el nuestro. sistemas nerviosos

Por ejemplo, en mayo de 2018, un equipo de investigación en la Universidad de Groningen que incluyó al físico Thomas la Cour Jansen encontró evidencia de que las plantas y algunas bacterias fotosintéticas alcanzan una eficiencia de casi el 100% al convertir la luz solar en energía utilizable al explotar el hecho de que la absorción de la energía solar causa la entrada de algunos electrones. Las moléculas que capturan la luz existen simultáneamente en estados cuánticos excitados y no excitados que se extienden a través de distancias relativamente largas dentro de la planta, lo que permite a los electrones excitados por la luz encontrar el camino más eficiente desde las moléculas donde se captura la luz hasta diferentes moléculas donde la energía utilizable. Para la planta se crea.

La evolución, en su incansable búsqueda de diseñar las formas de vida más eficientes energéticamente, parece haber ignorado la creencia de los físicos de que los efectos cuánticos útiles no pueden ocurrir en los ambientes cálidos y húmedos de la biología.

El descubrimiento de los efectos cuánticos en la biología vegetal ha dado lugar a un campo de la ciencia completamente nuevo llamado biología cuántica. En los últimos años, los biólogos cuánticos han descubierto evidencia de propiedades mecánicas cuánticas en la percepción del campo magnético en los ojos de algunas aves (lo que les permite navegar durante la migración) y en la activación de los receptores del olfato en los seres humanos. Los investigadores de la visión también han descubierto que los fotorreceptores en la retina humana son capaces de generar señales eléctricas a partir de la captura de un solo quanta de energía luminosa.

¿La evolución también hizo que nuestros cerebros fueran hipereficientes para generar energía utilizable o para transmitir y almacenar información entre las neuronas utilizando efectos cuánticos como la superposición y el enredo?

Los neurocientíficos están al principio de la investigación de esta posibilidad, pero por mi parte, estoy entusiasmado con el campo naciente de la neurociencia cuántica porque podría conducir a avances asombrosos en nuestra comprensión del cerebro.

Digo esto porque la historia de la ciencia nos enseña que los mayores avances casi siempre provienen de ideas que, antes de que ocurra un avance en particular, suenan increíblemente extrañas. El descubrimiento de Einstein de que el espacio y el tiempo son realmente lo mismo (relatividad general) es un ejemplo. El descubrimiento de Darwin de que los humanos evolucionaron a partir de formas de vida más primitivas, es otro. Y, por supuesto, el descubrimiento de la mecánica cuántica de Planck, Einstein y Bohr, en primer lugar, es otro más.

Todo lo cual implica fuertemente que las ideas detrás del cambio de juego del mañana en la neurociencia, hoy en día parecerán para la mayoría de las personas muy poco ortodoxas e improbables.

Ahora, solo porque la biología cuántica en el cerebro suena extraño e improbable, no lo califica automáticamente para ser la fuente del próximo salto gigante en neurociencia. Pero tengo el presentimiento de que una comprensión más profunda de los efectos cuánticos en los sistemas vivos proporcionará nuevas ideas importantes sobre nuestros cerebros y sistemas nerviosos, si no por otra razón, la adopción de un punto de vista cuántico hará que los neurocientíficos busquen respuestas de forma extraña y Lugares maravillosos que nunca consideraron investigar antes.

Y cuando los investigadores observan esos fenómenos extraños y maravillosos, esos fenómenos podrían, como sus primos enredados en la física de partículas, mirarlos de nuevo.

Referencias

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3768233/

https://phys.org/news/2016-02-evidence-vibration-theory.html

http://jgp.rupress.org/content/150/3/383

https://phys.org/news/2018-05-quantum-effects-photosynthesis.html

https://www.quantamagazine.org/a-new-spin-on-the-quantum-brain-20161102/

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology

¿Qué es la biología cuántica?