Molto è stato fatto sui processi di calcolo quantistico che utilizzano atomi e ioni ultrafreddi, giunzioni superconduttrici e difetti nei diamanti, ma potremmo eseguirli nel nostro cervello?

È una domanda che il fisico teorico dell'Università di Santa Barbara, Matthew Fisher, si pone da anni. Ora, come direttore scientifico del nuovo Quantum Brain Project (QuBrain), sta cercando di sottoporre questa indagine a rigorosi test sperimentali.

"Potremmo, noi stessi, essere computer quantistici, piuttosto che semplici robot intelligenti che progettano e costruiscono computer quantistici?", chiede Fisher.

Alcune funzioni svolte dal cervello continuano a eludere le neuroscienze:il substrato che "contiene" i ricordi a lunghissimo termine e il modo in cui opera, Per esempio. Meccanica quantistica, che si occupa del comportamento della natura a livello atomico e subatomico, potrebbe essere in grado di sbloccare alcuni indizi. E questo a sua volta potrebbe avere importanti implicazioni su molti livelli, dall'informatica quantistica e dalle scienze dei materiali alla biologia, salute mentale e anche cosa significa essere umani.

L'idea dell'informatica quantistica nel nostro cervello non è nuova. Infatti, ha fatto il giro per un po' con alcuni scienziati, così come quelli con inclinazioni meno scientifiche. Ma Fisher, un esperto di fama mondiale nel campo della meccanica quantistica, ha identificato un insieme preciso e unico di componenti biologici e meccanismi chiave che potrebbero fornire la base per l'elaborazione quantistica nel cervello. Con 1,2 milioni di dollari in sovvenzioni in tre anni dalla Fondazione Heising-Simons, Fisher lancerà la collaborazione QuBrain alla UCSB. Composto da un team internazionale di eminenti scienziati che abbracciano la fisica quantistica, biologia molecolare, biochimica, scienza dei colloidi e neuroscienze comportamentali, il progetto cercherà prove sperimentali esplicite per rispondere se potremmo effettivamente essere computer quantistici.

"Siamo estremamente grati alla Fondazione Heising-Simons per l'audace visione nel concedere questo progetto alla frontiera delle scienze quantistiche e neurologiche, " ha dichiarato il cancelliere della UC Santa Barbara Henry T. Yang. "Il professor Matthew Fisher è un fisico quantistico eccezionale, come dimostrato dal premio Oliver E. Buckley che ha condiviso nel 2015 per la sua ricerca sulle transizioni di fase quantistiche. Ora sta uscendo dal suo tradizionale quadro di ricerca teorica, riunire un team internazionale di esperti per sviluppare un programma di ricerca sperimentale che determinerà se esistono processi quantistici nel cervello. La loro ricerca potrebbe gettare nuova luce su come funziona il cervello, che potrebbe portare a nuovi protocolli di trattamento della salute mentale. Come tale, attendiamo con impazienza i risultati degli sforzi di ricerca collaborativa di QuBrain negli anni a venire."

"Se si risponde affermativamente alla domanda se i processi quantistici avvengono nel cervello, potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione e il trattamento della funzione cerebrale e della cognizione umana, " ha detto Matt Helgeson, un professore UCSB di ingegneria chimica e direttore associato presso QuBrain.

Qubit biochimici

Le caratteristiche dei computer quantistici risiedono nei comportamenti dei sistemi infinitesimali di atomi e ioni, che possono manifestare "qubit" (ad esempio "spin") che mostrano entanglement quantistico. Più qubit possono formare reti che codificano, memorizzare e trasmettere informazioni, analogo ai bit digitali in un computer convenzionale. Nei computer quantistici che stiamo cercando di costruire, questi effetti sono generati e mantenuti in ambienti altamente controllati e isolati ea basse temperature. Quindi il caldo, Il cervello umido non è considerato un ambiente favorevole per esibire effetti quantistici in quanto dovrebbero essere facilmente "lavati via" dal movimento termico di atomi e molecole.

Però, Fisher afferma che gli spin nucleari (al centro dell'atomo, piuttosto che gli elettroni circostanti) forniscono un'eccezione alla regola.

"Gli spin nucleari estremamente ben isolati possono memorizzare - e forse elaborare - informazioni quantistiche su scale temporali umane di ore o più, " ha detto. Fisher postula che gli atomi di fosforo, uno degli elementi più abbondanti nel corpo, abbiano lo spin nucleare necessario che potrebbe fungere da qubit biochimico. Una delle spinte sperimentali della collaborazione sarà quella di monitorare le proprietà quantistiche del fosforo atomi, in particolare l'entanglement tra due spin nucleari del fosforo quando legati insieme in una molecola sottoposta a processi biochimici.

Nel frattempo, Helgeson e Alexej Jerschow, professore di chimica alla New York University, studierà la dinamica e lo spin nucleare delle molecole di Posner - nano-cluster di fosfato di calcio di forma sferica - e se hanno la capacità di proteggere gli spin nucleari dei qubit dell'atomo di fosforo, che potrebbe promuovere l'archiviazione di informazioni quantistiche. Esploreranno anche il potenziale per l'elaborazione dell'informazione quantistica non locale che potrebbe essere resa possibile dal legame di coppia e dalla dissociazione delle molecole di Posner.

Neuroni Entangled

In un'altra serie di esperimenti, Tobias Fromme, uno scienziato presso l'Università tecnica di Monaco di Baviera, studierà il potenziale contributo dei mitocondri all'entanglement e il loro accoppiamento quantistico ai neuroni. Egli determinerà se questi organelli cellulari, responsabili di funzioni come il metabolismo e la segnalazione cellulare, possono trasportare molecole di Posner all'interno e tra i neuroni attraverso le loro reti tubolari. La fusione e la fissione dei mitocondri potrebbero consentire l'instaurazione di un entanglement quantistico intra e intercellulare non locale. La successiva dissociazione delle molecole di Posner potrebbe innescare il rilascio di calcio, correlata attraverso la rete mitocondriale, l'attivazione del rilascio del neurotrasmettitore e la successiva scarica sinaptica attraverso quella che sarebbe essenzialmente una rete quantistica di neuroni, un fenomeno che Fromme cercherà di emulare in vitro.

La possibilità dell'elaborazione cognitiva dello spin nucleare è arrivata a Fisher in parte attraverso studi condotti negli anni '80 che hanno riportato una notevole dipendenza dell'isotopo di litio dal comportamento delle madri di ratto. Sebbene dato lo stesso elemento, il loro comportamento cambiava drasticamente a seconda del numero di neutroni nei nuclei di litio. Quella che per la maggior parte delle persone sarebbe una differenza trascurabile era per un fisico quantistico come Fisher una disparità fondamentalmente significativa, suggerendo l'importanza degli spin nucleari. Aaron Ettenberg, Professore distinto UCSB di scienze psicologiche e cerebrali, condurrà indagini che cercano di replicare ed estendere questi esperimenti sugli isotopi di litio.

"Per quanto sia probabile che tu giudichi l'ipotesi di Matthew Fisher, testandolo attraverso l'approccio di ricerca collaborativa di QuBrain esploreremo la funzione neuronale con una tecnologia all'avanguardia da angolazioni completamente nuove e con un enorme potenziale di scoperta, " disse Fromme. Allo stesso modo, secondo Helgeson, la ricerca condotta da QuBrain ha il potenziale per innovazioni nel campo dei biomateriali, catalisi biochimica, entanglement quantistico nella chimica delle soluzioni e nei disturbi dell'umore negli esseri umani, indipendentemente dal fatto che i processi quantistici abbiano effettivamente luogo nel cervello.