Mycket har gjorts av kvantberäkningsprocesser med ultrakylda atomer och joner, supraledande kopplingar och defekter i diamanter, men kan vi utföra dem i våra egna hjärnor?

Det är en fråga UC Santa Barbara teoretiska fysik Matthew Fisher har ställt i åratal. Nu, som vetenskaplig chef för det nya Quantum Brain Project (QuBrain), han försöker genomföra denna undersökning genom noggranna experimentella tester.

"Kan vi, oss själva, vara kvantdatorer, snarare än bara smarta robotar som designar och bygger kvantdatorer?" frågar Fisher.

Vissa funktioner som hjärnan utför fortsätter att undvika neurovetenskap-substratet som "rymmer" mycket långsiktiga minnen och hur det fungerar, till exempel. Kvantmekanik, som behandlar naturens beteende på atomära och subatomära nivåer, kanske kan låsa upp några ledtrådar. Och det kan i sin tur få stora konsekvenser på många plan, från kvantberäkning och materialvetenskap till biologi, psykisk hälsa och till och med vad det är att vara människa.

Idén med kvantberäkning i våra hjärnor är inte ny. Faktiskt, det har gjort rundorna ett tag med några forskare, liksom de med mindre vetenskapliga benägenheter. Men Fisher, en världsberömd expert inom kvantmekanik, har identifierat en exakt – och unik – uppsättning biologiska komponenter och nyckelmekanismer som kan utgöra grunden för kvantbearbetning i hjärnan. Med 1,2 miljoner dollar i bidrag under tre år från Heising-Simons Foundation, Fisher kommer att starta QuBrain -samarbetet på UCSB. Består av ett internationellt team av ledande forskare som spänner över kvantfysik, molekylärbiologi, biokemi, kolloid vetenskap och beteendemässig neurovetenskap, projektet kommer att söka efter tydliga experimentella bevis för att svara på om vi faktiskt kan vara kvantdatorer.

"Vi är oerhört tacksamma till Heising-Simons Foundation för den djärva visionen att bevilja detta projekt vid gränsen för kvant- och neurovetenskap, "sa UC Santa Barbara kansler Henry T. Yang." Professor Matthew Fisher är en exceptionell kvantfysiker som framgår av Oliver E. Buckley -priset som han delade 2015 för sin forskning om kvantfasövergångar. Nu kliver han ut ur sin traditionella teoretiska forskningsram, sammansättning av ett internationellt team av experter för att utveckla ett experimentellt baserat forskningsprogram som kommer att avgöra om kvantprocesser finns i hjärnan. Deras forskning kan belysa hur hjärnan fungerar, vilket kan leda till nya protokoll för psykisk hälsa. Som sådan, Vi väntar ivrigt på resultaten av QuBrains forskningsarbete under de kommande åren. "

"Om frågan om kvantprocesser sker i hjärnan besvaras jakande det kan revolutionera vår förståelse och behandling av hjärnans funktion och mänsklig kognition, "sa Matt Helgeson, en UCSB -professor i kemiteknik och associerad direktör vid QuBrain.

Biokemiska Qubits

Kännetecknen för kvantdatorer ligger i beteendet hos de oändliga systemen av atomer och joner, som kan manifestera "qubits" (t.ex. "spins") som uppvisar kvantinvikling. Flera qubits kan bilda nätverk som kodar, lagra och överföra information, analog med de digitala bitarna i en konventionell dator. I de kvantdatorer vi försöker bygga, dessa effekter genereras och bibehålls i mycket kontrollerade och isolerade miljöer och vid låga temperaturer. Så det varma, våt hjärna anses inte vara en gynnsam miljö för att uppvisa kvanteffekter eftersom de lätt bör "tvättas ut" av den termiska rörelsen av atomer och molekyler.

Dock, Fisher hävdar att kärnkraftspinn (i atomkärnan, snarare än de omgivande elektronerna) ger ett undantag från regeln.

"Extremt välisolerade kärnspinn kan lagra - och kanske bearbeta - kvantinformation på mänskliga tidsskalor på timmar eller längre, " sa han. Fisher hävdar att fosforatomer - ett av de vanligaste elementen i kroppen - har den nödvändiga kärnspinn som skulle kunna fungera som en biokemisk qubit. En av de experimentella inriktningarna i samarbetet kommer att vara att övervaka fosforens kvantegenskaper atomer, särskilt intrassling mellan två fosfor -kärnsnurr när de är bundna till en molekyl som genomgår biokemiska processer.

Under tiden, Helgeson och Alexej Jerschow, professor i kemi vid New York University, kommer att undersöka dynamiken och kärnspinnet hos Posner-molekyler-sfäriskt formade kalciumfosfat-nanokluster-och om de har förmågan att skydda nukleära snurr av fosforatom qubits, som kan främja lagring av kvantinformation. De kommer också att utforska potentialen för icke-lokal kvantinformationsbehandling som kan möjliggöras genom parbindning och avskiljning av Posner-molekyler.

Entangled neuroner

I en annan uppsättning experiment, Tobias Fromme, en forskare vid tekniska universitetet i München, kommer att studera mitokondriernas potentiella bidrag till intrassling och deras kvantkoppling till neuroner. Han kommer att avgöra om dessa cellulära organeller – ansvariga för funktioner som metabolism och cellsignalering – kan transportera Posner-molekyler inom och mellan neuroner via sina tubulära nätverk. Sammansmältning och klyvning av mitokondrier kan möjliggöra etablering av icke-lokal intra- och intercellulär kvantinvikling. Efterföljande avskiljning av Posner -molekyler kan utlösa frisättning av kalcium, korrelerade över mitokondriella nätverk, aktivera frisättning av neurotransmittorer och efterföljande synaptisk avfyring över vad som i huvudsak skulle vara ett kvantkopplat nätverk av neuroner – ett fenomen som Fromme kommer att försöka efterlikna in vitro.

Möjligheten till kognitiv kärnspinnbearbetning kom till Fisher delvis genom studier utförda på 1980-talet som rapporterade ett anmärkningsvärt litiumisotopberoende av moderråttors beteende. Även om det ges samma element, deras beteende förändrades dramatiskt beroende på antalet neutroner i litiumkärnorna. Vad för de flesta skulle vara en försumbar skillnad var för en kvantfysiker som Fisher en i grunden betydande skillnad, vilket tyder på vikten av nukleära snurr. Aaron Ettenberg, UCSB Distinguished Professor of Psychological &Brain Sciences, kommer att leda undersökningar som försöker replikera och förlänga dessa litiumisotopförsök.

"Hur troligt du än bedömer Matthew Fishers hypotes, genom att testa det genom QuBrains forskningssamarbete kommer vi att utforska neuronal funktion med toppmodern teknik från helt nya vinklar och med enorm potential för upptäckt, sa Fromme. På samma sätt, enligt Helgeson, forskningen utförd av QuBrain har potential för genombrott inom biomaterial, biokemisk katalys, kvantinvikling i lösningskemi och humörstörningar hos människor, oavsett om kvantprocesser verkligen äger rum i hjärnan eller inte.