Por qué debería preocuparse por la neurociencia cuántica

En caso de que no lo haya escuchado, la ciencia cuántica está al rojo vivo en este momento, con conversaciones emocionadas sobre computadoras cuánticas inimaginablemente poderosas, comunicación cuántica ultraeficiente y seguridad cibernética impenetrable a través del cifrado cuántico.

¿Por qué tanto 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 poder cada 2-3 años, mientras que la ciencia cuántica promete computadoras con muchos billones de veces más potencia que la computadora más musculosa disponible en la actualidad.

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

Las asombrosas posibilidades de la ciencia cuántica surgen todas de una simple verdad: los fenómenos cuánticos rompen por completo las reglas que limitan lo que los fenómenos "clásicos" (normales) pueden lograr.

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

Abordemos primero la superposición cuántica.

En el mundo normal, un objeto como una pelota de béisbol solo puede estar en un lugar a la vez. 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.

Examinemos ahora el entrelazamiento cuántico ampliando un poco más la analogía del béisbol. En el mundo normal, dos pelotas de béisbol en casilleros oscuros en los estadios de las Grandes Ligas en Los Ángeles y Boston son totalmente independientes entre sí, de modo que si abre uno de los casilleros de almacenamiento para mirar una pelota de béisbol, no le pasaría absolutamente nada a la otra pelota de béisbol. en un armario oscuro de almacenamiento a 3,000 millas de distancia. Pero en el mundo cuántico, dos partículas individuales, como los fotones lata estar entrelazados, de modo que el mero acto de detectar un fotón con un detector fuerza instantáneamente al otro fotón, sin importar cuán lejos esté, a asumir un estado particular.

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

Esto sería el equivalente a cambiar el estado de una pelota de béisbol, por ejemplo, obligarla a estar en el estante superior o inferior de un casillero de almacenamiento, simplemente abriendo un casillero de almacenamiento a 3,000 millas de distancia y mirando a un diferente béisbol.

Estos comportamientos "imposibles" hacen que las entidades cuánticas sean ideales para hacer lo imposible con, por ejemplo, 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 cero y uno al mismo tiempo. Por lo tanto, donde un almacenamiento 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 ¡de repente! La capacidad de almacenar exponencialmente más información es la razón por la que las computadoras cuánticas prometen un salto cuántico en la potencia 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 una enorme ¡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 aprovechando 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, en particular el calor en el entorno que pone las partículas en movimiento, trastornando el hiper-delicado castillo cuántico de cartas de superposición 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 bajando la temperatura en sus experimentos a casi el cero absoluto.

Pero en el mundo de la fisiología vegetal se está acumulando evidencia de que algunos procesos biológicos que se basan en la superposición cuántica ocurren a temperaturas normales, lo que aumenta la posibilidad de que el inimaginablemente extraño mundo de la mecánica cuántica pueda en efecto inmiscuirse en el funcionamiento cotidiano de otros sistemas biológicos, como el nuestro. sistema nervioso

Por ejemplo, en mayo de 2018, un equipo de investigación de la Universidad de Groningen que incluía al físico Thomas la Cour Jansen encontró evidencia de que las plantas y algunas bacterias fotosintéticas logran una eficiencia de casi el 100% al convertir la luz solar en energía utilizable al explotar el hecho de que la absorción de energía solar provoca que algunos electrones en Las moléculas captadoras de luz existan simultáneamente en estados cuánticos excitados y no excitados distribuidos a distancias relativamente largas dentro de la planta, lo que permite que los electrones excitados por la luz encuentren el camino más eficiente desde las moléculas donde se captura la luz hasta diferentes moléculas donde se puede utilizar la energía. para la planta se crea.

La evolución, en su incansable búsqueda para diseñar las formas de vida con mayor eficiencia energética, 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 pruebas de las propiedades de la mecánica cuántica 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 de la retina humana son capaces de generar señales eléctricas a partir de la captura de un solo cuanto de energía luminosa.

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

Los neurocientíficos están al comienzo 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 la misma cosa (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 Planck, Einstein y Bohr de la mecánica cuántica en primer lugar, es otro más.

Todo lo cual implica fuertemente que las ideas detrás de los cambios de juego del mañana en los avances de la neurociencia parecerán hoy a la mayoría de la gente muy poco ortodoxas e improbables.

Ahora bien, el hecho de que la biología cuántica en el cerebro suene extraño e improbable no la califica automáticamente como la fuente del próximo gran paso adelante en la neurociencia. Pero tengo el presentimiento de que una comprensión más profunda de los efectos cuánticos en los sistemas vivos producirá nuevos conocimientos importantes sobre nuestros cerebros y sistemas nerviosos, aunque no sea por otra razón, que la adopción de un punto de vista cuántico hará que los neurocientíficos busquen respuestas de forma extraña y extraña. lugares maravillosos que nunca antes habían considerado investigar.

Y cuando los investigadores observen esos fenómenos extraños y maravillosos, esos fenómenos, como sus primos enredados en la física de partículas, ¡podrían mirar hacia atrás!