Erforschung des Quantencomputings im menschlichen Gehirn

• Die Phosphoratome in unserem Körper verfügen über den notwendigen Kernspin, der als biochemische Qubits fungieren könnte.
• Wissenschaftler untersuchen den Kernspin und andere Dynamiken von Nanoclustern aus kugelförmigen Posner-Molekülen, die eine Rolle als neuronale Qubits spielen könnten.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung der UC Santa Barbara wird das Potenzial des menschlichen Gehirns für Quantenberechnungen untersuchen. Laut Matthew Fisher, einem theoretischen Physiker an der UCSB, ist es möglich, dass wir Quantenverarbeitung in unserem eigenen Gehirn durchführen.

Das Konzept des Quantencomputings im menschlichen Gehirn ist nicht ganz neu. Wissenschaftler untersuchen dies bereits seit einiger Zeit. Fisher hat sich etwas Außergewöhnliches ausgedacht – einen einzigartigen Satz biologischer Schlüssel, der Quantencomputer in unserem Gehirn einsetzen könnte.

Bisher haben Sie nur von Quantencomputing gehört, das auf dem Einfrieren von Atomen und Ionen, Defekten in Diamanten und supraleitenden Übergängen basiert. Diese Studie (Quantum Brain Project) wird jedoch nach experimentellen Daten suchen, die einige bizarre Fragen wie „Sind wir Quantencomputer?“ beantworten könnten.

Für das Projekt wurden über einen Zeitraum von drei Jahren insgesamt 1,2 Millionen US-Dollar bereitgestellt. Diese Forschung könnte uns helfen, besser zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert, was zu neuartigen Verfahren zur psychischen Behandlung führen könnte.

Unabhängig davon, ob unser Gehirn Quantencomputing durchführt oder nicht, wird diese Studie erhebliche Fortschritte in den Bereichen Lösungschemie, Quantenverschränkung, biochemische Katalyse, Biomaterial und menschliche Stimmungsstörungen bringen.

Quantencomputing

Wie oben erwähnt, hängt das Quantencomputing ausschließlich vom Verhalten von Atomen und Ionen ab, die sich überlagern können. Anstatt Bits darzustellen, stellen solche Teilchen Qubits dar, die den Wert 1 oder 0 oder beide gleichzeitig annehmen können.

Wie digitale Bits beim herkömmlichen Rechnen kann eine Reihe von Qubits ein Netzwerk zum Kodieren, Speichern und Übertragen von Informationen bilden. In Quantencomputern werden Qubits bei sehr niedrigen Temperaturen in einer stark isolierten und kontrollierten Umgebung erzeugt und aufrechterhalten.

Andererseits ist die Temperatur des menschlichen Gehirns warm und aufgrund der thermischen Bewegung von Atomen und Molekülen ist es sicherlich keine perfekte Umgebung, um Quanteneffekte zu zeigen.

Quantenverarbeitung im menschlichen Gehirn

Laut Fisher sorgen die Kernspins (im Atomkern und nicht in der Nähe von Elektronen) für etwas Ungewöhnliches – etwas, das bisher noch nicht untersucht wurde.

Gut isolierte Kernspins können Quantendaten stundenlang (oder vielleicht länger) speichern. Die Phosphoratome (1 % unserer Körperelemente) haben den notwendigen Kernspin, der als biochemische Qubits fungieren könnte .

Bildnachweis:Peter Allen / UC Santa Barbara

Derzeit überwacht das Forschungsteam die Quanteneigenschaften von Phosphor. Konkret suchen sie nach einer Verschränkung zwischen zwei Kernspins von Phosphoratomen, wenn sie miteinander verbunden werden, um ein Molekül zu bilden.

Quelle:RSC Publishing | doi:10.1039/C7CP07720C | UC Santa Barbara

Unterdessen untersucht ein Forschungsteam an der New York University den Kernspin und andere Dynamiken von Nanoclustern kugelförmiger Posner-Moleküle. In diesem Projekt wollen sie herausfinden, ob diese Moleküle in der Lage sind, die Kernspins biochemischer Qubits zu schützen. Darüber hinaus werden sie sich auch auf die Dissoziation und Paarbindung von Posner-Molekülen konzentrieren, die eine nicht-lokale Quantendatenverarbeitung ermöglichen.

Ein weiteres Forschungsteam der Technischen Universität München wird die Rolle von Mitochondrien bei der Quantenkopplung und -verschränkung untersuchen. Ziel ist es herauszufinden, ob diese doppelmembrangebundenen Organellen, die für die Zellsignalisierung und den Stoffwechsel verantwortlich sind, ihre röhrenförmigen Netzwerke nutzen können, um Posner-Moleküle zwischen Neuronen zu übertragen.

Durch Fusion und Spaltung von Mitochondrien könnte eine nicht-lokale inter- und intrazelluläre Quantenverschränkung entstehen. Eine weitere Dissoziation der Posner-Moleküle könnte Kalzium freisetzen, was die Freisetzung von Neurotransmittern und das synaptische Feuern aktiviert, was nichts anderes als ein quantengekoppeltes Netzwerk von Neuronen wäre.

Technische Details

Bisher haben Forscher die Struktur und den spektroskopischen Fingerabdruck von Posner-Molekülen untersucht. Sie sind im Vakuum stabil und haben S6-Symmetrie. Das berechnete Schwingungsspektrum kann als spektroskopischer Fingerabdruck dienen und beim experimentellen Nachweis von Posner-Molekülen helfen.

Verunreinigungskationen könnten ein zentrales Kalzium ersetzen, was sowohl auf Knochenwachstum als auch auf Phosphor-Spin-Eigenschaften hinweist. Das Team hat gezeigt, dass das Posner-Molekül ein vielversprechender Kandidat für (vor Umweltdekohärenz) geschützte Kernspins ist, mit potenziellen Auswirkungen auf die medizinische Bildgebung und die Flüssigzustands-NMR-Quantenberechnung.

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Sie haben eine Pseudospin-Quantenzahl herausgefunden, die kohärente Quantendaten in Posner-Molekülen kodieren und eine Technik liefern könnte, um die Rotationsfreiheitsgrade (des Posner-Moleküls) mit seinem Kernspin zu verschränken. Diese Technik ist von zentraler Bedeutung für die Rolle des Posner-Moleküls als biochemisches Qubit im Konzept des Quantengehirns.