Ist das Gehirn ein Quantencomputer? Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass es sein könnte

Das Gehirn als Uhr oder Computer?

Consciousness, higher levels of thought, and how the brain works are still a mystery today. Over history, the functioning of the human mind has been seen through various analogies, usually using the most advanced technology of the time.

Die alten Griechen sahen es als Wasseruhr. Spätere Denker glaubten, es sei durch die Bewegung von Körperflüssigkeiten angetrieben, dann durch eine mechanische Uhr, dann durch einen elektrischen Schaltkreis. Heute betrachten wir es als einen sehr leistungsfähigen Computer, angetrieben von elektrischen Signalen, wobei jedes Neuron eine Art biologischer Transistor ist.

In der Praxis erklärt keiner dieser Ansätze, einschließlich des „biologischen Computers“, vollständig, wie das Gehirn funktioniert.

Zum Beispiel arbeitet die Rechenkapazität des Gehirns mit nur 12–25 Watt elektrischer Leistung, gerade genug, um eine LED zu betreiben. Im Vergleich dazu verbraucht ein einzelner KI‑Chip von Nvidia (NVDA ) 250–700 W für eine deutlich geringere „Denk“-Kapazität.

Es ist ebenfalls unklar, ob „mehr Rechenleistung“ tatsächlich die Antwort darauf ist, komplexe Gedanken und abstraktes Denken zu erzeugen, um über das bloße Raten hinauszugehen, wie es aktuelle LLMs (Large Language Models) tun.

Deshalb wurden andere Theorien vorgeschlagen, insbesondere dass quantenmechanische Effekte für das Entstehen des Bewusstseins verantwortlich sind.

Ist das Gehirn quantenmechanisch?

Penroses Unterstützung

Es gibt eine Theorie, die als „Quantenbewusstsein“ bezeichnet wird und besagt, dass Gehirnfunktionen und Bewusstsein aus quantenmechanischen Effekten wie dem Kollaps der Quantenwellenfunktion entstehen.

Dies ist ein seltsamer Aspekt der Quantenphysik, bei dem Teilchen von einem Zustand simultaner Eigenschaften zu einem eher „normalen“ Zustand übergehen, in dem sie ein eindeutig definiertes Merkmal besitzen. Er wurde insbesondere durch das Konzept von Schrödingers Katze popularisiert.

Quelle: Wikipedia

Die Theorie des Quantenbewusstseins wurde von Sir Roger Penrose, einem berühmten Physiker, der den Nobelpreis für Physik im Jahr 2020 für seine Arbeit in der Astrophysik und der mathematischen Modellierung von Schwarzen Löchern erhalten hat, unterstützt.

Quelle: Nobel Prize

Obwohl er außerhalb seines unmittelbaren Fachgebiets arbeitet, hat Penroses Ruf als Weltklasse-Genie dieser Idee Aufmerksamkeit verschafft.

Mikrotubuli-Berechnungen

Penroses Theorie konzentriert sich auf Strukturen in Neuronen, die Mikrotubuli genannt werden und das „Skelett“ der Zellen bilden. Diese Strukturen sind entscheidend für die Durchführung von Berechnungen, die letztlich zum Bewusstsein führen. Diese Idee wurde erst veröffentlicht 1996.

Quelle: Center for Consciousness Studies, University of Arizona

Diese Theorie würde auch erklären, wie Allgemeinanästhetika wirken, eine Frage, die trotz fast eines Jahrhunderts Anwendung noch offen ist. Sie würde funktionieren, indem sie den quantenmechanischen Effekt im Tubulin beeinträchtigt, wodurch das Bewusstsein blockiert wird, aber die unbewusste Gehirnaktivität erhalten bleibt.

Sie können Sir Penrose auch dabei zuschauen, wie er seine Theorie selbst in diesem 42‑minütigen Video erklärt:

Kritiken

Die Idee, dass Quantencomputing im Gehirn stattfindet, wurde sofort von einem großen Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft kritisiert. Das Hauptproblem ist, dass Quantenverschränkung und der Kollaps der Quantenwellenfunktion nur in sehr speziellen Umgebungen beobachtet werden können, in der Regel mit reinen Elementen, Vakuum und/oder sehr niedrigen Temperaturen, oft nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Dies sind auch die Bedingungen, die derzeit für Quantencomputer erforderlich sind, wie wir in unserem Artikel zu diesem Thema beschrieben haben: “The Current State of Quantum Computing ”.

Ein organisches Gehirn wäre zu warm und zu komplex, um irgendeine Quantenberechnung durchzuführen.

Eine Reihe von Quantenentdeckungen im Gehirn

Die Vorstellung, dass kein Quantenphänomen im unordentlichen Kontext organischer Materie stattfinden könnte, wird zunehmend in Frage gestellt.

Wir vermuten bereits, dass der Magnet‑Sinn von Vögeln, der ihnen ermöglicht, den Norden zu finden und zu migrieren, mit einem solchen quantenmechanischen Effekt verbunden ist.

Wenn diese Radikale schließlich reagieren, hängt das Ergebnis von der Stärke und Orientierung des Magnetfeldes ab. Die Annahme ist, dass der Vogel auf diese Weise empfindlich ist, sodass er Norden von Süden unterscheiden kann. Der Prozess ist stark quantenmechanisch, da die Elektronen des Radikalpaars verschränkt sind, was bedeutet, dass sie als ein einziges Quantenobjekt agieren, obwohl sie einen gewissen Abstand zueinander haben.

Musser, ”Radical consciousness theory?”

 Aktuelle Messungen

Im Jahr 2022 scheint ein Experiment gezeigt zu haben, dass quantenmechanische Signale im Gehirn mit den „Herzschlag‑induzierten Potentialen“ (HEPs) korrelieren. Dies könnte zeigen, dass Quantenverschränkung im menschlichen Körper möglich ist.

(Quantum entanglement ist, wenn 2 Teilchen zusammengepaart sind und „kommunizieren“ können, selbst ohne Signal und schneller als das Licht).

Kürzlich, im April 2024, zeigte eine neue Erkenntnis über das Gehirn, dass zumindest einige quantenmechanische Effekte in Neuronen existieren können, wo man sie zuvor für unmöglich hielt.

Genauer gesagt handelt es sich um ein Phänomen namens Superstrahlung. In einer Veröffentlichung mit dem Titel “Ultraviolet Superradiance from Mega-Networks of Tryptophan in Biological Architectures” zeigen sie, dass große Strukturen, die aus der Aminosäure Tryptophan gebaut sind, wie das Tubulin von Neuronen, Superstrahlung zeigen können.

Quelle: ACS Publication

Eine solche Anzeige stabiler quantenmechanischer Effekte von mikroskaligen Strukturen ist beispiellos, insbesondere für Materialien, die so komplex und „rauschend“ sind wie biologische Moleküle in lebenden Zellen.

Vielleicht sogar noch weiter gehen, schlagen einige Wissenschaftler vor, dass Erinnerungen in organischen Gehirnen durch ein holographisches System unter Verwendung von Superstrahlung erzeugt werden.

Ist das Gehirn also ein Quanten‑Supercomputer?

Es ist noch viel zu früh, um das mit Sicherheit zu sagen. Allerdings wird das Hauptargument, dass Quanten‑Effekte in den Substrukturen von Neuronen nicht funktionieren können, durch die Entdeckung von Superstrahlung im Tubulin stark geschwächt.

Es besteht noch eine beträchtliche Lücke zwischen dieser Beobachtung und dem Nachweis, dass das Bewusstsein das Ergebnis des „gravitätsinduzierten Kollapses der Quantenwellenfunktion“ ist, gemäß Penroses Theorie. Dennoch impliziert die jüngste Entdeckung, dass Neuronen Informationen durch optische Signale, ähnlich wie Glasfasern, übertragen könnten.

Dies würde die allgemein verstandene Vorstellung ersetzen, dass neuronale Signalübertragung den Ionenfluss über Membranen von einem Ende des Neurons zum anderen beinhaltet.

Superstrahlung ist ein extrem schnelles Phänomen, das im Bereich von Pikosekunden (ein Milliardstel einer Millisekunde) auftritt. Dadurch wäre jedes durch diesen Effekt übertragene Signal hundert Millionen Mal schneller als rein chemische Prozesse es erlauben würden.

Anwendungen

Neurodegenerative Erkrankungen

Obwohl faszinierend, ist nicht sofort ersichtlich, was die direkte Anwendung dieser Entdeckung ist.

Eine mögliche Anwendung könnte das Verständnis und die Prävention neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer sein.

Alzheimer wurde mit hohen Graden von oxidativem Stress in Verbindung gebracht – wenn der Körper eine große Menge freier Radikale trägt, die schädliche, hochenergetische UV‑Lichtteilchen aussenden können.

Tryptophan kann dieses ultraviolette Licht absorbieren und es bei einer niedrigeren, sichereren Energie wieder emittieren. Und wie diese Studie zeigte, können sehr große Tryptophan‑Netzwerke dies noch effizienter und robuster tun, dank ihrer starken quantenmechanischen Effekte.

Quelle: The Quantum Insider

Dies ist eigentlich keine neue Theorie, bei der Mikrotubuli seit 1989 mit Alzheimer in Verbindung gebracht werden. Es ist bekannt, dass das Tau‑Protein sich von den Mikrotubuli löst und sich bei der Krankheit an andere Tau‑Moleküle bindet, wodurch Fäden entstehen, die schließlich zu Verwicklungen innerhalb der Neuronen führen.

Quantencomputing

Der Nachweis, dass ein quantenmechanischer Effekt in einer unordentlichen Umgebung überlebt, stellt alles in Frage, was wir über diese Phänomene zu wissen glaubten.

Es könnte für das aufstrebende Feld des Quantencomputings von großer Bedeutung sein. Das Haupthindernis bei der Entwicklung von Quantencomputern besteht darin, den quantenmechanischen Effekt aufrechtzuerhalten, anstatt in „normale“ Materie zu kollabieren.

Bis jetzt bestand die einzige Strategie darin, eine ultrakalte Spezialumgebung zur Speicherung des Qubits zu schaffen. Das ist sowohl eine technische Herausforderung als auch sehr energieintensiv und erhöht die Komplexität und den Preis dieser Art von Computing.

Diese neuen Ergebnisse werden für die große Gemeinschaft von Forschern im Bereich offener Quantensysteme und Quantencomputing von Interesse sein, da die in dieser Studie verwendeten theoretischen Methoden in diesen Bereichen weit verbreitet sind, um komplexe Quantennetzwerke in lauten Umgebungen zu verstehen

Pr. Nicolò Defenu – Federal Institute of Technology (ETH) Zürich in der Schweiz

Dies eröffnet den Weg für effizientere und möglicherweise stabilere sowie weniger energieintensive Prozesse für zukünftige Generationen von Quantencomputern.

Eine weitere Möglichkeit könnte darin bestehen, Superstrahlung zu nutzen, die nun als ein deutlich robusteres Phänomen als bisher angenommen demonstriert wurde.

„Ein‑Photon‑Superstrahlung verspricht neue Werkzeuge zur Speicherung von Quanteninformation zu liefern, und diese Arbeit zeigt ihre Effekte in einem völlig neuen und anderen Kontext.

Wir werden die Implikationen für quantenmechanische Effekte in lebenden Systemen in den kommenden Jahren sicherlich genau untersuchen.

Marlan Scully – Laser‑Pionier & theoretischer Quantenoptik‑Physiker

So könnte das Rechnen selbst eines Tages nicht nur auf mikroskaligen Quanten‑Effekten basieren, sondern auch die Speicher‑/Informationsspeicherung könnte Superstrahlung nutzen.

Biologische Computer

Abschließend, wenn Neuronen tatsächlich in der Lage sind, irgendeine Form von Quantencomputing auszuführen, könnte dies das Potenzial zerebraler Organoide verändern. Dies sind künstlich gezüchtete Hirngewebe, die derzeit für biotechnologische Forschung zu neurodegenerativen Erkrankungen und dem Gehirn im Allgemeinen verwendet werden.

Organoide könnten verwendet werden, um biologische Chip‑Prozessoren zu erstellen, die weitaus energieeffizienter wären als siliziumbasierte Chips. Da KI voraussichtlich einen wachsenden Teil unseres globalen Energieverbrauchs ausmachen wird, könnte dies eher früher als später erforderlich werden.

Wir haben den Fortschritt der zerebralen Organoid‑Technologie in unserem Artikel “Meaningful Steps Toward Organoid Intelligence Being Taken” untersucht.

Investieren in Quanten‑Gehirn

Als Idee am äußersten Rand der Wissenschaft gibt es derzeit keine direkte Anwendung dieser Entdeckungen. Allerdings stehen Unternehmen im Bereich Quantencomputing und zerebraler Organoide Investoren zur Verfügung.

Sie können in quantenbezogene Unternehmen über viele Broker investieren, und Sie finden hier, auf securities.io, unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich, sowie vielen anderen Ländern.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Quantencomputing‑Unternehmen auszuwählen, können Sie auch in Quantencomputing‑ETFs wie Defiance Quantum ETF (QTUM) investieren, die eine diversifiziertere Exposition bieten, um vom Quantencomputing‑Sektor zu profitieren. Oder Sie können unseren Artikel über die “5 besten Quantencomputing‑Unternehmen” lesen.

Quantum‑ und Neural‑Computing‑Unternehmen

1. Intel

Intel (INTC ) ist ein großer Chip‑Hersteller und scheint diese Stärke in den Bereich des Quantencomputings einbringen zu wollen.

Kürzlich hat Intel „Tunnel Falls“, den „am weitesten fortgeschrittenen Silizium‑Spin‑Qubit‑Chip“ veröffentlicht. Bemerkenswert ist, dass es sich nicht um einen Prototyp handelt, sondern um einen Chip, der in Serie gefertigt wird, mit einer Ausbeute von 95 % über das Wafer und einer Spannungseinheitlichkeit. Dies eröffnet den Weg zur Massenproduktion von Quanten‑Computing‑Chips, was derzeit in einer jungen und sich schnell wandelnden Branche noch kaum möglich ist.

Quelle: Intel

Treue zu seinen Wurzeln entwickelt Intel auch die Software zur Nutzung seiner Chips, mit der Veröffentlichung des Intel Quantum SDK. Dieses bietet Richtlinien für Programmierer, um Software für Quantencomputing zu entwickeln, die mit dem Intel‑Quantum‑Chip‑Design kompatibel ist, was historisch ein sehr starkes und profitables Geschäfts‑Moat für Intels konventionelles Chip‑Geschäft darstellt.

Quelle: Intel

Der Beginn der skalierbaren Fertigung von Quanten‑Chips könnte für die Branche ebenso revolutionär sein wie jede andere technische wissenschaftliche Durchbruch, Kosten senken und einheitliche Programmierstandards sowie Chip‑Architekturen etablieren.

Intel ist ein Unternehmen, das aus Erfahrung weiß, wie stark diese Kraft in der Computerindustrie sein kann. Es profitiert weiterhin von den Innovationen und zugehörigen Patenten, die seit den 1960er‑Jahren entstanden sind.

2. BICO Group AB (BICO.ST)

Eine Möglichkeit, das Gehirn und die Nerven zu untersuchen, besteht darin, zerebrale Organoide zu verwenden. Diese künstlich erzeugten Mini‑Gehirne können im Labor die Reaktion von Neuronen auf potenzielle Therapien nachbilden und Forschern helfen, Behandlungen für das echte Gehirn zu finden.

Wir haben ausführlicher erläutert, wie es funktioniert und die neuesten Entwicklungen in diesem Bereich in “Meaningful Steps Toward Organoid Intelligence Being Taken”.

Kürzlich wurden viel komplexere zerebrale Organoide von Forschern der University of Wisconsin–Madison in 3D gedruckt. Sie nutzten dafür einen Cellink‑Bioprinter, was neue Potenziale für diese Maschine in der neurowissenschaftlichen Forschung eröffnet.

Quelle: Cellink

Im Jahr 2021 wurde Cellink in die BICO Group umbenannt, nachdem das Unternehmen Cytena im Jahr 2019 und Scienion im Jahr 2020 übernommen hatte.

Cellink ist weiterhin der Markenname für den Bioprinting‑Teil des Geschäfts. Die Idee ist, 3D‑Druck‑Methoden wiederzuverwenden, um on‑demand 3D‑Gewebe oder Organe zu erzeugen. (Sie können eine Diskussion zu diesem Thema in “3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?”).

Bioprinting macht etwa 1/5^th des Geschäfts aus, wobei das Segment für Bioscience‑Automatisierung mehr als 3/5^th der Einnahmen erzielt.

Quelle: BICO Group AB

Obwohl nicht allein in diesem Feld, ist Cellink eindeutig ein sehr fortschrittlicher Hersteller von Bioprinting‑Geräten. Die Leistung von Pr. Zhang mit diesen Maschinen zeigt ihr Potenzial in der Neurologie‑Forschung, einem Bereich, der derzeit kaum Bioprinting nutzt.

Langfristig werden Bioprinting‑Unternehmen wahrscheinlich von der Bereitstellung von Werkzeugen für Forscher zu Lieferanten von bioprinting‑Therapien für Patienten der Pharmaunternehmen übergehen. Dies wird wiederum die Anzahl der im Einsatz befindlichen Bioprinter und, noch wichtiger, das monatliche Verkaufsvolumen von Verbrauchsmaterialien vollständig verändern.

Dies ist derselbe Prozess, der bei anderen Herstellern von Biolab‑Geräten stattfand, einschließlich der Genome‑Sequenzierungsmaschinen von PacBio (PACB) und Illumina (ILMN), die schließlich 80 % ihrer Einnahmen aus wiederkehrenden Verkäufen von Verbrauchsmaterialien erzielen.

Wenn die Forschung an zerebralen Organoiden aufgrund ihres Potenzials in der Computer‑ und Quantenphysik‑Forschung stark vorangetrieben wird, könnte dies für Unternehmen, die sie produzieren, wie Cellink/BICO, sehr vorteilhaft sein.

3. Final Spark

Gegründet von Martin Kutter und Fred Jordan im Jahr 2014 und mit Sitz in der Schweiz, setzt sich Final Spark für biologische Chip‑Prozessoren ein, die deutlich weniger Energie verbrauchen (1 Milliarde Mal effizienter als Silizium‑Chips).

Wie das Startup behauptet, hat es bereits 10 Millionen Neuronen getestet, um denkende Maschinen aus lebenden menschlichen Neuronen, die aus Haut gewonnen wurden, zu bauen.

Das Startup nutzt ausgeklügelte Zellkultur‑Techniken, um die Fähigkeit zu demonstrieren, selbsttragendes Computing für die Erstellung zukünftiger KI‑Modelle zu ermöglichen.

Final Spark bietet jetzt Zugriff auf seine Biocomputing‑Kapazität über die Cloud an. Seine Neuroplattform steht Forschungseinrichtungen zu einer monatlichen Gebühr von 500 $ pro Nutzer zur Verfügung.