Коллектив авторов - Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Случайный молекулярный шум обычно разрушает квантовые эффекты в неживых системах. Как тогда они выживают в горячих, сырых и к тому же живых клетках с молекулярным шумом? Одной из наиболее удивительных и интригующих особенностей квантовой биологии является то, что жизнь, кажется, обнаружила способы использования молекулярного шума для поддержания, а не разрушения квантовой когерентности. Это на самом деле может быть одним из фундаментальных атрибутов жизни. Благодаря молекулярному шуму жизнь может существовать на границе между квантовым и классическим мирами.

Использует ли мозг квантовую механику? С одной стороны, конечно, да. Мозг состоит из атомов, а атомы подчиняются законам квантовой физики. Но как быть со смежным вопросом о том, могут ли странные свойства квантовых объектов – нахождение в двух местах одновременно, внешне мгновенное воздействие друг на друга на расстоянии и т. д. – объяснить все еще до конца не изученные аспекты познавательной способности человека? Это, оказывается, и в самом деле довольно спорный вопрос.

Главное возражение исходит от «бритвы Оккама» – утверждения, что наилучшее объяснение обычно самое простое. С этой точки зрения нынешние неквантовые идеи о работе мозга прекрасно справляются со всеми вопросами, и у нас нет необходимости прибегать к квантовой физике для объяснения познания. Однако физик-теоретик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (КУСБ) в этом не так уверен и указывает на то, что имеющиеся представления о воспоминаниях отнюдь не безупречны. Например, они хранятся в архитектуре нейронных сетей или в соединениях между нейронами? Почему бы не поискать квантовые объяснения получше?

Возможно, все дело в том, что где-то мы это уже видели. В 1989 году Роджер Пенроуз, математик из Оксфордского университета, предположил, что никакая стандартная классическая модель вычислений не сможет объяснить, как мозг порождает мышление и сознательный опыт. Его идея заинтриговала многих, особенно работающего в Университете штата Аризона анастезиолога Стюарта Хамероффа, предложившего особый способ вовлечения квантовых эффектов.

Суть этой идеи коренилась в микротрубочках – белковых трубках, составляющих скелет нейронов, – использующих квантовые эффекты, чтобы одновременно существовать в «суперпозициях» двух разных форм. Каждая из этих форм равносильна биту классической информации, так что этот меняющий форму квантовый бит, или кубит, может хранить в два раза больше информации, чем его классический аналог.

Добавьте в эту смесь запутанность – квантовую особенность, позволяющую состояниям кубитов оставаться переплетенными, даже когда они не находятся в контакте, – и вы сможете быстро собрать квантовый компьютер, способный гораздо эффективнее взаимодействовать с информацией, чем любой классический. Фактически Пенроуз предположил, что именно принцип, по которому такой компьютер может приходить к нескольким ответам одновременно и комбинировать эти ответы разными способами, как раз объяснит исключительный талант мозга (см. рис. 6.2).

Рис. 6.2. Принцип работы квантового компьютера сравнивают с принципом работы мозга.

Пенроуз и Хамерофф совместно работали над этой идеей: они, как и некоторые другие ученые, одно время считали ее разумной. Но вскоре начали появляться проколы. С точки зрения физика самой фундаментальной проблемой было время когерентности. Суперпозиция, как и запутанность, является чрезвычайно хрупким явлением. Представьте себе живую пирамиду из каскадеров, проезжающих по высокому канату на одноколесном велосипеде, и вы поймете, о чем идет речь. Малейший дисбаланс – и пирамида рассыпается. Если говорить о квантовой системе, то она будет «декогерировать» к классическому состоянию при возмущении теплотой, механическими колебаниями или чем-то еще. Информация, хранящаяся в квантовых состояниях, в результате чаще всего рассеивается в окружающую среду.

В течение двух десятилетий эта проблема препятствовала попыткам физиков, включая Фишера, сконструировать квантовый компьютер хоть сколько-то значительного размера. Даже при криогенном охлаждении и механической изоляции сложно поддерживать когерентность сетей из кубитов достаточно долго, чтобы сделать что-то, превосходящее возможности классических компьютеров. В теплом сыром мозге с его бульоном из подрагивающих, толкающихся молекул это становится почти невозможным. Нейроны удерживают информацию всего несколько микросекунд во время ее обработки, но вычисления показывают, что суперпозиции микротрубочек будут длиться всего лишь от 10 –13до 10 –10секунд.