الحوسبة
هل الدماغ كمبيوتر كمي؟ رؤى جديدة تقول إنه قد يكون كذلك
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
الدماغ كساعة أم ككمبيوتر؟
لا يزال الوعي والتفكير المعقد وكثير من تفاصيل عمل الدماغ غير مفهوم بالكامل. وعلى مر التاريخ، وُصفت آلية عمل العقل البشري من خلال تشبيهات مختلفة، عادةً باستخدام أحدث التقنيات في ذلك الوقت.
شبّه بعض المفكرين الدماغ بآلات وتقنيات عصرهم، من حركة السوائل إلى الساعة الميكانيكية والدائرة الكهربائية. واليوم يُشبّه غالبًا بحاسوب يعمل بإشارات كهربائية، مع تشبيه الخلايا العصبية بعناصر معالجة بيولوجية. تبقى هذه تشبيهات محدودة وليست أوصافًا كاملة.
لا يفسر أي من هذه التشبيهات، بما فيها «الحاسوب البيولوجي»، عمل الدماغ تفسيرًا كاملًا.
يستهلك الدماغ طاقة أيضية تقدّر بنحو 12–25 واط، في حين تتراوح القدرة الكهربائية لبعض مسرّعات الذكاء الاصطناعي من Nvidia (NVDA ) بين 250 و700 واط. لكن هذين الرقمين لا يقيسان المهمة نفسها، ولا يثبتان وحدهما تفوقًا عامًا في القدرة على «التفكير».
وليس واضحًا أن زيادة القدرة الحاسوبية وحدها تكفي لتفسير الوعي والتفكير المجرد. كما أن وصف نماذج اللغة الكبيرة بأنها مجرد تخمين لا يختزل جميع قدراتها وحدودها.
من الفرضيات المقترحة أن بعض التأثيرات الكمومية قد تسهم في الوعي. ولم يُثبت هذا التفسير بعد.
هل الدماغ كمي؟
دعم بنروز للفرضية
تفترض بعض نظريات «الوعي الكمومي» أن عمليات مرتبطة بالوعي تنشأ من تأثيرات كمومية، مثل اختزال الدالة الموجية.
تصف الدالة الموجية تراكب حالات محتملة، وتنتج القياسات نتائج محددة. ويُستخدم لتوضيح مشكلات تفسير ذلك مثال قطة شرودنغر.
دافع عن بعض هذه الأفكار الفيزيائي السير روجر بنروز، الذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 2020 لإثباته أن تكوّن الثقوب السوداء نتيجة راسخة للنظرية النسبية العامة.
أسهمت مكانة بنروز العلمية في لفت الانتباه إلى الفرضية، لكن الجائزة لم تُمنح له عن تفسير الوعي ولا تثبت صحته.
الأنابيب الدقيقة وفرضية المعالجة الكمومية
تقترح فرضية بنروز وستيوارت هامروف أن عمليات كمومية في الأنابيب الدقيقة، وهي جزء من الهيكل الخلوي، قد تسهم في الوعي. لم يُثبت أن هذه البنى تنفذ الحسابات اللازمة لذلك. وقد نُشرت إحدى الصياغات الأساسية للفرضية عام 1996.
ويقترح أنصار الفرضية أيضًا تفسيرًا لعمل التخدير العام يعتمد على احتمال تأثيره في عمليات كمومية مرتبطة ببروتين التوبولين. يظل هذا تفسيرًا بحثيًا، ولا يعني أن آليات التخدير الأخرى مجهولة أو أن الفرضية مثبتة.
يمكن مشاهدة بنروز وهو يشرح فكرته في هذا الفيديو الذي تبلغ مدته نحو 42 دقيقة:
الانتقادات
تعرّضت فكرة الحساب الكمومي في الدماغ لانتقادات واسعة. تتمثل إحدى الصعوبات في بيان كيف يمكن الحفاظ على الترابط الكمومي اللازم للحساب مدة كافية في بيئة دافئة ومعقدة. وتتطلب تجارب كثيرة ظروفًا مضبوطة، مثل الفراغ أو درجات حرارة شديدة الانخفاض، لكن ليس صحيحًا أن جميع التأثيرات الكمومية لا تظهر إلا في هذه الظروف.
تحتاج بعض معماريات الحوسبة الكمومية إلى مثل هذه الظروف، كما نناقش في مقال «الحالة الراهنة للحوسبة الكمومية ».
يرى منتقدو الفرضية أن حرارة الدماغ وتعقيده قد تعوق الحفاظ على الترابط اللازم لحساب كمومي طويل بما يكفي. وهذا لا ينفي كل ظاهرة كمومية في الأنسجة الحية.
التأثيرات الكمومية في الأنظمة البيولوجية
توجد أبحاث في التأثيرات الكمومية ضمن الأنظمة البيولوجية. ومن الأمثلة المقترحة آلية الأزواج الجذرية التي قد تسهم في البوصلة المغناطيسية لدى الطيور.
عندما تتفاعل هذه الجذور الحرة، قد تتأثر النتيجة بقوة المجال المغناطيسي واتجاهه. ووفق هذه الفرضية، يمكن أن تستفيد الطيور من هذا الأثر في تحديد الاتجاه. وتُوصف إلكترونات الزوج الجذري بحالة كمومية مشتركة، لكن ذلك لا يتيح نقل معلومات أسرع من الضوء.
موسر، «نظرية جذرية للوعي؟»
القياسات الحديثة
أبلغت دراسة عام 2022 عن إشارات بالرنين المغناطيسي مرتبطة بجهود مستثارة بضربات القلب. واقترح مؤلفوها تفسيرًا كموميًا، لكنها لا تشكل برهانًا حاسمًا على تشابك كمومي مسؤول عن الوعي في الدماغ.
(التشابك الكمومي هو ارتباط بين الأنظمة الكمومية يجعل وصف حالتها المشتركة ضروريًا. ولا يسمح هذا الارتباط بإرسال رسالة بلا إشارة أو بسرعة تتجاوز سرعة الضوء.)
وفي أبريل 2024، نُشرت دراسة عن تأثير كمومي في تجمعات جزيئية ذات صلة بالبنى البيولوجية. ولا تعني نتائجها إثبات أن الخلايا العصبية الحية تعمل كحاسوب كمومي.
تتناول الدراسة ظاهرة الإشعاع الفائق. وفي البحث المعنون «الإشعاع الفائق فوق البنفسجي من شبكات ضخمة من التريبتوفان في البنى البيولوجية»، درس الباحثون شبكات من الحمض الأميني تريبتوفان في بنى تشمل التوبولين والأنابيب الدقيقة، ووجدوا سلوكًا إشعاعيًا جماعيًا متوافقًا مع الإشعاع الفائق.
تساعد هذه النتائج على فهم السلوك البصري الجماعي لشبكات جزيئية معقدة. ولا يصح مساواة هذا السلوك بترابط طويل العمر يؤدي حسابات في دماغ حي.
وطرح باحثون أيضًا فرضيات تربط الذاكرة بآليات هولوغرافية والإشعاع الفائق.
هل إذًا الدماغ كمبيوتر فائق كمي؟
لا تكفي هذه النتائج للقول إن الدماغ حاسوب كمومي فائق. فهي تبحث أثرًا محددًا في بنى جزيئية، ولا تثبت وجود كيوبتات وظيفية أو خوارزميات كمومية في الخلايا العصبية.
ولا يزال إثبات أن الوعي ينشأ من «اختزال الدالة الموجية بفعل الجاذبية» وفق فرضية بنروز بعيدًا عن هذه النتائج. كذلك، لا تثبت الدراسة أن الخلايا العصبية تنقل المعلومات الضوئية كما تفعل الألياف البصرية.
وتبقى الإشارات الكهربائية الناتجة عن حركة الأيونات عبر أغشية الخلايا، والإشارات الكيميائية في المشابك، آليات معروفة للتواصل العصبي. ولا تحل نتائج الإشعاع الفائق محلها.
قد تحدث عمليات إشعاعية على مقياس البيكوثانية، أي جزء من مليون مليون جزء من الثانية. لكن سرعة عملية جزيئية لا تثبت أن الدماغ يحسب أسرع بمئات ملايين المرات أو أن إشارة عصبية مفيدة تنتقل بذلك المعدل.
التطبيقات
الأمراض التنكسية العصبية
قد تساعد دراسة هذه الآثار في فهم الأنظمة البيولوجية، ومن الأسئلة البحثية صلتها المحتملة بأمراض التنكس العصبي، مثل ألزهايمر.
يرتبط ألزهايمر بالإجهاد التأكسدي، أي اختلال التوازن بين أنواع الأكسجين التفاعلية والدفاعات المضادة للأكسدة. ولا يعني ذلك أن كل جذر حر يطلق فوتونات فوق بنفسجية ضارة.
يمتص التريبتوفان الأشعة فوق البنفسجية وقد يعيد إصدار الضوء بطاقة أقل. وتقترح الدراسة أن السلوك الجماعي لشبكاته قد يزيد كفاءة بعض العمليات الضوئية. أما دور ذلك في حماية الدماغ من المرض فيحتاج إلى اختبارات إضافية.
المصدر: The Quantum Insider
سبق أن طُرحت صلة بين الأنابيب الدقيقة وألزهايمر؛ فقد نوقشت هذه العلاقة في أبحاث تعود إلى عام 1989. وفي المرض، يمكن أن ينفصل بروتين تاو عن الأنابيب الدقيقة ويتجمع في خيوط وتشابكات داخل الخلايا العصبية. هذا الارتباط لا يثبت فرضية الوعي الكمومي.
الحوسبة الكمومية
تضيف الدراسة معلومات عن تأثيرات جماعية في بيئات جزيئية معقدة، بدلًا من نقض كل ما نعرفه عن ميكانيكا الكم.
قد تفيد أساليبها النظرية أبحاث الأنظمة الكمومية المفتوحة والحوسبة الكمومية. ومن التحديات الأساسية ضبط التفاعلات مع البيئة والحد من فقدان الترابط والأخطاء.
تعتمد بعض المعماريات، مثل الكيوبتات فائقة التوصيل، على تبريد شديد. لكن توجد معماريات أخرى، منها الأيونات المحصورة والذرات المتعادلة والأنظمة الضوئية؛ لذلك فالتبريد الشديد ليس الاستراتيجية الوحيدة لكل حاسوب كمومي.
ستثير هذه النتائج اهتمام باحثي الأنظمة الكمومية المفتوحة والحوسبة الكمومية، لأن الأساليب النظرية المستخدمة في الدراسة تُستعمل أيضًا لفهم الشبكات الكمومية المعقدة في البيئات المشوشة.
البروفيسور نيكولو ديفينو، المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ
قد تقود هذه الأبحاث إلى أفكار جديدة لضبط الأنظمة الكمومية أو تخزين المعلومات. لكن لم يُثبت أنها تنتج حاسوبًا كموميًا أقل استهلاكًا للطاقة أو أكثر استقرارًا.
يَعِد الإشعاع الفائق لفوتون واحد بأدوات جديدة لتخزين المعلومات الكمومية، ويعرض هذا العمل آثاره في سياق مختلف.
وسنواصل دراسة تبعات ذلك على التأثيرات الكمومية في الأنظمة الحية خلال السنوات المقبلة.
Marlan Scully — من رواد الليزر وفيزيائي متخصص في البصريات الكمومية النظرية
إذًا، قد يكون الإشعاع الفائق ذا أهمية لأبحاث الذاكرة والمعلومات الكمومية، لكنه لا يثبت أن هذه الوظائف تحدث في الدماغ البشري.
الحواسيب البيولوجية
تفتح الأنسجة العصبية المزروعة مخبريًا أسئلة مستقلة في الحوسبة الحيوية، سواء ثبتت فرضيات الوعي الكمومي أم لم تثبت. وتُستخدم العضيات الدماغية بالفعل في دراسة نمو الدماغ والأمراض العصبية.
يبحث العلماء إمكان استخدام شبكات عصبية حية في أنظمة معالجة حيوية. وتظل المقارنة الشاملة لكفاءتها مع رقائق السيليكون، بما في ذلك متطلبات الزرع والدعم، مسألة بحثية. ومع توقع زيادة استهلاك أنظمة الذكاء الاصطناعي للطاقة، تزداد أهمية البحث في بدائل أكثر كفاءة، من دون افتراض أن المعالجات الحيوية أصبحت بديلًا جاهزًا.
ناقشنا التقدم في هذا المجال في مقال «خطوات ملموسة نحو ذكاء العضيات».
الاستثمار في الدماغ الكمي
لا توجد في هذه المرحلة تطبيقات تجارية مباشرة تثبت تفسير الوعي بهذه الظواهر. لكن يمكن للمستثمرين دراسة شركات الحوسبة الكمومية وأدوات أبحاث الأنسجة والعضيات.
للبحث عن وسطاء يتيحون الاستثمار في شركات ذات صلة، يمكن الاطلاع على أدلة securities.ioللوسطاء في الولايات المتحدة، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، ودول أخرى.
ولمن يريد الاطلاع على صندوق يضم شركات مرتبطة بالحوسبة الكمومية والتقنيات المتقدمة، يوجد Defiance Quantum ETF (QTUM) . يتيح الصندوق تعرضًا لعدة شركات، لكنه لا يضمن تحقيق أرباح من تطور القطاع. ويمكن أيضًا مراجعة مقال «خمس شركات في مجال الحوسبة الكمومية».
شركات في الحوسبة الكمومية وأبحاث الأعصاب
1. Intel
INTC مخطط السعر
تُعد Intel (INTC ) من الشركات الكبرى في صناعة الرقائق، وتطوّر أيضًا تقنيات للحوسبة الكمومية.
أعلنت الشركة في يونيو 2023 عن رقاقة «Tunnel Falls» البحثية التي تضم 12 كيوبتًا من اللف المغزلي في السيليكون. وذكرت Intel أن عملية تصنيعها حققت مردودًا قدره 95% على الرقاقة وتجانسًا في الجهد. ولا يعني هذا أن 95% من الحسابات صحيحة، أو أن الرقاقة حاسوب كمومي تجاري واسع النطاق؛ فهي أداة بحثية.
وطورت Intel أيضًا أدوات برمجية، منها Intel Quantum SDK. تتيح هذه الحزمة تطوير خوارزميات كمومية ومحاكاتها، بما يدعم أبحاث أجهزة الشركة. ولا يجعلها ذلك معيارًا عامًا ملزمًا للصناعة.
قد تساعد قابلية توسيع التصنيع في خفض التكاليف، لكن نجاح تصنيع رقاقة بحثية لا يحل وحده تحديات تصحيح الأخطاء وزيادة عدد الكيوبتات وضبطها.
تتمتع Intel بخبرة طويلة في تصنيع أشباه الموصلات، لكن مكانتها السابقة وبراءاتها لا تضمن نجاحها في الحوسبة الكمومية.
2. BICO Group AB (BICO.ST)
تُستخدم العضيات الدماغية والنماذج العصبية المزروعة لدراسة استجابات الخلايا للعلاجات. وهي نماذج محدودة لا تمثل الدماغ البشري الكامل.
نناقش تفاصيل هذا المجال وتطوراته في مقال «خطوات ملموسة نحو ذكاء العضيات».
وفي دراسة نُشرت عام 2024، طبع باحثون من جامعة ويسكونسن–ماديسون أنسجة دماغية بشرية وظيفية ثلاثية الأبعاد. واستخدموا في ذلك Cellink ، ما يوضح إمكان استخدام الطباعة الحيوية في أبحاث الأعصاب. ولا يعني ذلك طباعة دماغ كامل أو إثبات حوسبة كمومية في العضيات.
أُعيدت تسمية مجموعة Cellink باسم BICO عام 2021، بعد استحواذها على Cytena عام 2019، وعلى Scienion عام 2020.
بقي اسم Cellink علامة لأعمال الطباعة الحيوية، التي تستخدم تقنيات الطباعة لبناء نماذج وأنسجة ثلاثية الأبعاد. (للمزيد، اقرأ «طباعة الأعضاء البشرية ثلاثية الأبعاد: ما مدى واقعيتها؟»).
شكّل قطاع الطباعة الحيوية نحو الخُمس من إيرادات المجموعة في الفترة المالية التي استند إليها المقال، بينما شكّل قطاع أتمتة العلوم الحيوية أكثر من ثلاثة أخماس الإيرادات. وهذه نسب تاريخية وليست وصفًا ثابتًا لمزيج أعمال المجموعة.
توضح أعمال فريق البروفيسور تشانغ إمكان استخدام هذه المعدات في أبحاث الأعصاب. وتوجد شركات أخرى في المجال، ولا تعني نتائج فريق واحد تفوقًا تجاريًا مضمونًا.
قد يتوسع دور شركات الطباعة الحيوية مستقبلًا من توريد أدوات البحث إلى التعاون مع شركات الأدوية في تطوير علاجات. وقد يؤثر ذلك في مبيعات الأجهزة والمواد الاستهلاكية، لكنه مسار تطوير محتمل وليس نتيجة مؤكدة.
وتُعد المواد الاستهلاكية مصدر إيرادات متكررًا لبعض مصنعي معدات المختبرات، مثل أجهزة تسلسل الجينوم لدى PacBio (PACB) و Illumina (ILMN). لكن نسب الإيرادات تختلف باختلاف الشركة والفترة، فلا يصح تعميم نسبة 80% عليهما معًا دون بيانات محددة.
إذا توسعت أبحاث العضيات الدماغية، فقد يزداد الطلب على أدوات شركات مثل Cellink/BICO. وتظل الفوائد التجارية متوقفة على الطلب والتقدم العلمي.
3. FinalSpark
تأسست FinalSpark عام 2014 على يد مارتن كوتر وفريد جوردان في سويسرا، وتطوّر أنظمة حوسبة حيوية. وتتحدث عن إمكانية بلوغ كفاءة طاقة أعلى بكثير من السيليكون، وصولًا إلى مليار ضعف في بعض المقارنات؛ وليس ذلك قياسًا مستقلًا مثبتًا لحاسوب تجاري مكتمل.
وتقول الشركة الناشئة إنها اختبرت عشرة ملايين خلية عصبية في أبحاثها على شبكات عصبية حية. ويمكن إنتاج هذه الخلايا من خلايا جذعية مستحثة مشتقة من خلايا جلدية أُعيدت برمجتها؛ ولا يثبت ذلك أن النظام «يفكر» كإنسان.
وتستخدم تقنيات زراعة الخلايا لدراسة معالجة المعلومات في أنظمة حيوية، مع بحث تطبيقات مستقبلية في الذكاء الاصطناعي . تحتاج هذه الأنظمة إلى دعم مخبري للحفاظ على الخلايا، ولا تعمل بمعزل عن بيئتها التجريبية.
في العرض الذي وصفه المقال عام 2024، أتاحت FinalSpark للجهات البحثية الوصول إلى منصتها الحيوية Neuroplatform عبر السحابة مقابل 500 دولار شهريًا لكل مستخدم.
