Μια νέα θεωρία για την εξήγηση των λειτουργιών του εγκεφάλου
-η κβαντική λειτουργία του εγκεφάλου-

Άρθρο 2ο Μέρος-Οκτώβριος 2001

1ο  2ο   3ο  επόμενο μέρος

Περιεχόμενα Σελίδας:

1. Ο παράξενος κόσμος των συσχετισμένων κβαντικών σωματιδίων
2. Που σταματάει ο παράξενος κβαντικός κόσμος και αρχίζει ο συνηθισμένος κλασσικός κόσμος;
3. Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τον κβαντικό συσχετισμό
4. Περιέχει ο εγκέφαλος κβαντικό υπολογιστή;

Ο παράξενος κόσμος των συσχετισμένων κβαντικών σωματιδίων.

Στον καθημερινό κόσμο που περιγράφεται από την κλασσική φυσική, συχνά παρατηρούμε συσχετισμούς. Φαντασθείτε ότι παρατηρείτε μια ληστεία τράπεζας. Ο ληστής κατευθύνει ένα όπλο στον τρομοκρατημένο υπάλληλο. Κοιτάζοντας τον υπάλληλο μπορείτε ν' αποφανθείτε αν το όπλο έχει εκπυρσοκροτήσει ή όχι. Αν ο υπάλληλος είναι ζωντανός και αβλαβής το όπλο δεν έχει ρίξει. Αν ο υπάλληλος κείται νεκρός το όπλο έχει ρίξει.

Από την άλλη μεριά εξετάζοντας το όπλο αν έχει ρίξει ή όχι μπορείτε να αποφανθείτε αν ο υπάλληλος είναι νεκρός ή όχι. Θα λέγαμε ότι υπάρχει ένας απευθείας συσχετισμός μεταξύ της κατάστασης του όπλου και της κατάστασης του υπαλλήλου.  "Όπλο που έχει ρίξει σημαίνει υπάλληλος νεκρός" και "όπλο που δεν έχει ρίξει σημαίνει υπάλληλος ζωντανός".
Υποθέτουμε βέβαια ότι ο ληστής πυροβολεί μόνο για να σκοτώσει και δεν αστοχεί ποτέ.

Στον κόσμο των μικροσκοπικών αντικειμένων που περιγράφονται από την κβαντομηχανική τα πράγματα δεν είναι ποτέ τόσο απλά. Φαντασθείτε ένα άτομο που περιγράφεται από την κβαντομηχανική ότι μπορεί να υποστεί μια ραδιενεργό διάσπαση σ' ένα συγκεκριμένο χρόνο, ή να μην υποστεί. Υποθέτουμε ότι όσον αφορά τη διάσπαση υπάρχουν μόνο δύο καταστάσεις, "διασπασμένο" και "μη διασπασμένο" ακριβώς όπως είχαμε "όπλο που έριξε" και "όπλο που δεν έριξε" ή "ζωντανός υπάλληλος" και "νεκρός υπάλληλος".

Στον κόσμο της κβαντομηχανικής όμως είναι επίσης δυνατόν το άτομο να βρίσκεται σε μια συνδυασμένη κατάσταση "διασπασμένο - μη διασπασμένο" στην οποία δεν είναι ούτε το ένα ούτε το άλλο αλλά κάτι ενδιάμεσο. Αυτή η κατάσταση λέγεται υπέρθεση των δύο καταστάσεων και είναι κάτι που δεν περιμένουμε σε κλασσικά μακροσκοπικά αντικείμενα. Δύο άτομα μπορεί να είναι συσχετισμένα ούτως ώστε αν το πρώτο είναι διασπασμένο και το δεύτερο θα είναι επίσης, και αν το πρώτο δεν είναι ούτε και το δεύτερο θα είναι. Αυτός είναι ένας συσχετισμός 100%.

Αλλά στην κβαντομηχανική τα άτομα μπορούν επίσης να είναι συσχετισμένα κατά τρόπο ώστε αν το πρώτο είναι σε μια υπέρθεση "διασπασμένο - μη διασπασμένο" να είναι και το δεύτερο. Κβαντομηχανικά υπάρχουν πολύ περισσότεροι συσχετισμοί μεταξύ των ατόμων απ' όσους θα αναμέναμε κλασσικά. Αυτού του είδους ο συσχετισμός αποκαλείται 'entanglement'. Στη γλώσσα μας θα τον αποκαλούσαμε και πάλι συσχετισμό ή διεμπλοκή.

Φαντασθείτε ότι δεν είναι ο ληστής αλλά το άτομο, εκείνο που αποφασίζει αν το όπλο θα ρίξει ή όχι. Αν το άτομο διασπαστεί ελευθερώνει με κάποιο μηχανισμό τη σκανδάλη και το όπλο εκπυρσοκροτεί. Αν δεν διασπαστεί το όπλο δεν ρίχνει. Αλλά τι συμβαίνει αν το άτομο βρίσκεται στη συνδυασμένη κατάσταση "διασπασμένο - μη διασπασμένο";

Και τι συμβαίνει με τον ταλαίπωρο υπάλληλο που θα είναι και νεκρός και ζωντανός συγχρόνως; Ο ίδιος ο Schrodinger, από τους πρωτεργάτες της κβαντομηχανικής είχε ανησυχήσει από μια τέτοια κατάσταση όπου μια γάτα αντί για τον υπάλληλο βρισκόταν μέσα σ' ένα κουτί και η διάσπαση του ατόμου αντί για πυροβολισμό ελευθέρωνε μέσα στο κουτί κάποιο θανατηφόρο δηλητήριο.

Το πρόβλημα βρίσκεται στο ότι στον καθημερινό κόσμο δεν είμαστε συνηθισμένοι σε καταστάσεις όπως "νεκρή - ζωντανή" γάτα. Αν πιστεύουμε όμως ότι η κβαντομηχανική είναι μια πλήρης θεωρία που περιγράφει κάθε επίπεδο της εμπειρίας μας τέτοιες παράξενες καταστάσεις θα πρέπει να είναι δυνατές.

Που σταματάει ο παράξενος κβαντικός κόσμος και αρχίζει ο συνηθισμένος κλασσικός κόσμος;

Αυτό είναι πρόβλημα που συζητείται για δεκαετίες και έχουν προταθεί διάφορες ερμηνείες της κβαντικής θεωρίας.

Το 1935 ο Einstein διατύπωσε την άποψη ότι η παράξενη συμπεριφορά των συσχετισμένων συστημάτων υποδήλωνε απλώς την ατέλεια της κβαντικής μηχανικής και ότι τα παράδοξα μπορούσαν να αρθούν μέσα στα πλαίσια της κλασσικής φυσικής αρκεί να δεχτούμε κάποιο είδος κρυμένων μεταβλητών.

Το 1964 ο John Bell υπέδειξε ότι σε μερικά πειράματα οι κλασσικές θεωρίες που χρησιμοποιούσαν κρυμμένες μεταβλητές έδιναν διαφορετικές προβλέψεις από την κβαντομηχανική. Διατύπωσε ένα θεώρημα σύμφωνα με το οποίο τα κβαντικά σωματίδια είναι πολύ περισσότερο συσχετισμένα από τα κλασσικά ακόμη και αν για τα τελευταία ληφθούν υπ' όψιν και οι κρυμμένες μεταβλητές. Το θεώρημα αυτό μας επιτρέπει να ελέγξουμε αν η κβαντομηχανική ή η θεωρία των κρυμμένων μεταβλητών δίνει τις σωστές προβλέψεις.

Περιττό να πούμε ότι όλα τα πειράματα που έγιναν γέρνουν συντριπτικά υπέρ της κβαντομηχανικής. Το μόνο είδος κρυμμένων μεταβλητών που δεν μπορεί να αποκλείσει το θεώρημα του Bell είναι οι μη τοπικές δηλαδή αυτές που θα μπορούσαν να δρουν ακαριαία σε μεγάλη απόσταση. Ο κβαντικός συσχετισμός (entanglement) είναι πια αποδεκτός αν και δεν έχει μια "λογική" ερμηνεία.

Πιο πρόσφατα από τις αρχές της δεκαετίας του 90 στο πεδίο της κβαντικής θεωρίας της πληροφορίας, ο κβαντικός συσχετισμός άρχισε να αντιμετωπίζεται ως μέσον επικοινωνίας.

Αν η Alice και ο Bob διαθέτουν ο καθένας τους ένα σωματίδιο από ένα ζευγάρι συσχετισμένων σωματιδίων, μια κβαντική κατάσταση μπορεί να μεταδοθεί πλήρως από την Alice στον Bob στέλνοντάς του λιγότερα κλασσικά bits απ' όσα θα απαιτούνταν χωρίς το συσχετισμό.

Άλλοι τρόποι χρήσης του κβαντικού συσχετισμού ως μέσον πληροφορίας είναι η πυκνή κωδικοποίηση και η κρυπτογραφία. Η συσχέτιση είναι μια κατάσταση στην οποία μπορούμε να επέμβουμε. Κάτω από ορισμένες δηλαδή συνθήκες, καταστάσεις χαμηλής συσχέτισης μπορούν να μετατραπούν σε πιο συσχετισμένες, δρώντας τοπικά. Και αντίστροφα υψηλότερος συσχετισμός μπορεί να μειωθεί δίνοντας μεγαλύτερο αριθμό λιγότερο συσχετισμένων καταστάσεων.

Η έρευνα στον κβαντικό συσχετισμό είναι σήμερα ένας πολύ δημιουργικός τομέας.

Οι κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιούν τον κβαντικό συσχετισμό

Κατά τη διάρκεια του τελευταίου μισού αιώνα η Κβαντική Μηχανική έχει μετακινηθεί από τη σφαίρα της ατομικής και της σωματιδιακής φυσικής, προς όλο και περισσότερες μακροσκοπικές πειραματικές εφαρμογές. Η δυνατότητα των κβαντικών υπολογιστών ερευνάται λεπτομερώς από πολυάριθμες ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο και θεωρητικά και πειραματικά. Ο κβαντικός τρόπος υπολογισμού (Quantum computation) οραματίζεται κβαντικούς υπολογιστές οι οποίοι θα χρησιμοποιούν τα "qubits" μάλλον παρά τα συμβατικά "bits".

Στους κλασσικούς, ψηφιακούς υπολογιστές, όταν κωδικοποιηθεί μια σχέση (συσχετισμός) μεταξύ δύο bits και πρέπει ακολούθως να ανακτηθεί αυτή, κάθε bit πρέπει να προσπελαστεί ξεχωριστά. Τα qubits από την άλλη μεριά, όντας κβαντικά αντικείμενα, μπορούν να υπάρξουν σε μια υπερθεση καταστάσεων (δηλαδή και οι δύο καταστάσεις συγχρόνως) εφ' όσον δεν αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον.

Μόλις κωδικοποιηθεί μια σχέση μεταξύ δύο qubits, η ίδια αυτή σχέση μπορεί επίσης να υπάρξει σε μια υπέρθεση των καταστάσεων. Όταν ένας κβαντικός υπολογιστής ανακτά τα στοιχεία, επεξεργάζεται το ένα qubit, και η υπέρθεση καταστρέφεται αλλά συγχρόνως η πληροφορία που περιέχει το άλλο qubit μεταβιβάζεται κατά κάποιο τρόπο (κανένας δεν καταλαβαίνει αρκετά το πώς!) σ' αυτόν που επεξεργάζεται το qubit, εφόσον μεταξύ τους υπήρχε συσχετισμός.

Μερικά από τα πλεονεκτήματα των κβαντικών υπολογιστών του μέλλοντος είναι η μεγαλύτερη ταχύτητα, η γιγαντιαία χωρητικότητα της μνήμης και η μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύς.

Η πιο ενδιαφέρουσα και συζητημένη πτυχή των κβαντικών υπολογιστών, είναι η δυνατότητά τους να εκτελούν εργασίες που είναι αδύνατες αν χρησιμοποιήσουμε τους κλασσικούς υπολογιστές. Η πιο γνωστή από αυτές είναι η δυνατότητά τους να ψάχνουν μέσω αταξινόμητων καταλόγων από στοιχεία, με βήματα ή χρόνους που είναι κλασσικά αδύνατοι.

Περιέχει ο εγκέφαλος κβαντικό υπολογιστή;

Οι κβαντικοί υπολογιστές χαρακτηρίζονται από έναν ολοκληρωμένο και "αποκεντρωμένο" τρόπο χειρισμού δεδομένων και ανάκτησης πληροφοριών, σχεδόν ίδιο με αυτόν με τον οποίο ο ανθρώπινος εγκέφαλος κάνει την αναγνώριση μορφών και σχεδίων.

Επειδή λοιπόν στη ρίζα του κβαντικού υπολογισμού βρίσκεται η ιδιότητα της διεμπλοκής ή συσχετισμού (entanglement) των κβαντικών συστημάτων ο Δημήτρης Νανόπουλος και οι συνεργάτες του πρότειναν τον κβαντικό συσχετισμό για την ερμηνεία κάποιων νοητικών δραστηριοτήτων.

Οι πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές πρόοδοι της ομάδας σε αυτόν τον τομέα μιλούν για μοριακούς διακόπτες-qubits, οι παράμετροι των οποίων ταιριάζουν τέλεια με τον προτεινόμενο ρόλο των διμερών μορίων (dimers) στους σωληνίσκους (tubulins), τα οποία είναι τα στοιχειώδη συστατικά ενός κβαντικού υπολογιστικού δικτύου μέσα σε έναν βιολογικό εγκέφαλο. Επιπλέον τα πρωτονημάτια (protofilamens) που αποτελούν ένα μικροσωληνίσκο (Microtubule συντομογραφικά MT) παίζουν το ρόλο των προτεινόμενων κβαντικών ομάδων ή καταχωρητών (registers).

1ο,  2ο, 3ο  επόμενο μέρος