Computación
¿Es el cerebro una computadora cuántica? Nuevas ideas dicen que podría ser
¿El cerebro como un reloj o una computadora?
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 a través de varias analogías, generalmente usando la tecnología más avanzada de la época.
Los antiguos griegos lo veían como un reloj de agua. Pensadores posteriores creían que estaba impulsado por el movimiento de los fluidos corporales, luego por un reloj mecánico, luego por un circuito eléctrico. Hoy, lo vemos como una computadora muy potente alimentada por señales eléctricas, con cada neurona como una especie de transistor biológico.
En la práctica, ninguna de estas explicaciones, incluido el “computador biológico”, explica completamente cómo funciona el cerebro.
Por ejemplo, la capacidad de cómputo del cerebro funciona con solo 12-25 vatios de energía eléctrica, apenas suficiente para alimentar una luz LED. En contraste, solo un chip de IA de Nvidia consume entre 250 y 700 W para una capacidad de “pensamiento” mucho menor.
También es incierto si “más potencia de cómputo” es realmente la respuesta para generar pensamientos complejos y razonamiento abstracto que vaya más allá de simplemente adivinar como lo hacen actualmente los LLM (Modelos de Lenguaje Extenso).
Por eso se han propuesto otras teorías, notablemente que los efectos cuánticos son responsables de la aparición de la conciencia.
¿Es el cerebro cuántico?
Apoyo de Penrose
Existe una teoría denominada “conciencia cuántica”, que estipula que las funciones cerebrales y la conciencia se derivan de efectos cuánticos como el colapso de la función de onda cuántica.
Esta es una parte extraña de la física cuántica, donde las partículas pasan de un estado de propiedades simultáneas a un estado más “normal” donde tienen una característica definida. Ha sido popularizada notablemente por el concepto del gato de Schrödinger.
Fuente: Wikipedia
La teoría de la conciencia cuántica ha sido defendida por Sir Roger Penrose, un famoso físico que ganó el Premio Nobel de Física en 2020, por su trabajo en astrofísica y la modelización matemática de los agujeros negros.
Fuente: Nobel Prize
Aunque puede estar fuera de su campo inmediato de experiencia, la reputación de Penrose como un genio de clase mundial dio cierta atención a esta idea.
Cálculos de los microtúbulos
La teoría de Penrose se centra en estructuras en las neuronas llamadas microtúbulos, que forman el “esqueleto” de las células. Estas estructuras son esenciales para realizar cálculos que finalmente resultan en la conciencia. Esta idea fue publicada por primera vez en 1996.
Esta teoría también explicaría cómo funciona el anestésico general, una cuestión aún abierta a pesar de casi un siglo de uso. Funcionaría al perjudicar el efecto cuántico en la tubulina, bloqueando la conciencia pero no la actividad cerebral inconsciente.
También puedes ver a Sir Penrose explicar su teoría él mismo en este video de 42 minutos:
Críticas
La idea de que la computación cuántica ocurra en el cerebro ha sido criticada de inmediato por gran parte de la comunidad científica. El problema principal es que el entrelazamiento cuántico y el colapso de la función de onda cuántica solo pueden observarse en entornos muy especiales, generalmente con elementos puros, vacío y/o temperaturas muy bajas, a menudo apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto.
Estas también son el tipo de condiciones requeridas actualmente para los computadores cuánticos, como describimos en nuestro artículo sobre el tema: “El estado actual de la computación cuántica”.
Un cerebro orgánico sería demasiado cálido y demasiado complejo como medio para realizar cualquier cálculo cuántico.
Una serie de descubrimientos cuánticos en el cerebro
La idea de que ningún fenómeno cuántico pudiera ocurrir en el contexto caótico de la materia orgánica está siendo cada vez más cuestionada.
Ya sospechamos que el sentido magnético de las aves, que les permite localizar el norte y migrar, está ligado a tal efecto cuántico.
Cuando estos radicales finalmente reaccionan, el resultado dependerá de la fuerza y orientación del campo magnético. La idea es que el ave es sensible a esto de una manera que le permite distinguir el norte del sur. El proceso es altamente cuántico ya que los electrones del par radical están entrelazados, lo que significa que actúan como un solo objeto cuántico, aunque estén a cierta distancia.
Mediciones recientes
En 2022, un experimento parece haber demostrado que las señales cuánticas en el cerebro se correlacionan con los “potenciales evocados por latido del corazón” (HEPs). Esto podría demostrar que el entrelazamiento cuántico es posible en un cuerpo humano.
(Quantum entanglement es cuando 2 partículas se emparejan y pueden “comunicarse” entre sí, incluso sin una señal y más rápido que la velocidad de la luz).
Más recientemente, en abril de 2024, una nueva visión del cerebro demostró que al menos algún efecto cuántico puede existir en las neuronas, donde antes se creía imposible.
Más precisamente, es un fenómeno llamado superradiancia. En una publicación titulada “Superradiancia ultravioleta de mega-redes de triptófano en arquitecturas biológicas”, demuestran que grandes estructuras construidas a partir del aminoácido triptófano, como la tubulina neuronal, pueden exhibir superradiancia.
Fuente: ACS Publication
Tal exhibición de efectos cuánticos estables de estructuras a escala micrón es sin precedentes, especialmente para materiales tan complejos y “ruidosos” como las moléculas biológicas en células vivas.
Yendo quizás aún más lejos, algunos científicos están proponiendo que los recuerdos en cerebros orgánicos se crean mediante un sistema holográfico que utiliza superradiancia.
Entonces, ¿es el cerebro una supercomputadora cuántica?
Es demasiado pronto para decirlo con certeza. Sin embargo, con el descubrimiento de la superradiancia en la tubulina, el argumento principal de que los efectos cuánticos no pueden funcionar en las subestructuras de las neuronas se ha debilitado gravemente.
Todavía hay una brecha considerable entre esta observación y demostrar que la conciencia es el resultado del “colapso de la función de onda cuántica inducido por la gravedad”, según la teoría de Penrose. No obstante, el último descubrimiento implica que las neuronas podrían transmitir información mediante señales ópticas, como fibras ópticas.
Esto reemplazaría la idea más comúnmente entendida de que la señalización neuronal implica iones que se mueven a través de membranas de un extremo de la neurona al otro.
La superradiancia es un fenómeno extremadamente rápido que ocurre en el rango de picosegundos (una milmillonésima de milisegundo). Esto haría que cualquier señal transmitida a través de este efecto sea cientos de millones de veces más rápida que los procesos químicos por sí solos.
Aplicaciones
Enfermedades neurodegenerativas
Aunque fascinante, puede no ser evidente cuál es la aplicación directa de tal descubrimiento.
Una podría ser ayudar a comprender y prevenir enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer.
El Alzheimer se ha asociado con altos niveles de estrés oxidativo—cuando el cuerpo contiene una gran cantidad de radicales libres, que pueden emitir partículas de luz UV de alta energía y dañinas.
El triptófano puede absorber esta luz ultravioleta y reemitirla a una energía más baja y segura. Y, como encontró este estudio, redes de triptófano muy grandes pueden hacer esto de manera aún más eficiente y robusta debido a sus poderosos efectos cuánticos.
Fuente: The Quantum Insider
Esto no es realmente una teoría nueva, con los microtúbulos hipotetizados como involucrados en el Alzheimer desde 1989. Se sabe que la proteína tau se desprende de los microtúbulos y se adhiere a otras moléculas de tau en la enfermedad, formando hilos que eventualmente se unen para formar enredos dentro de las neuronas.
Computación cuántica
La demostración de un efecto cuántico que sobrevive en un entorno caótico desafía todo lo que creíamos saber sobre estos fenómenos.
Podría ser de gran importancia para el emergente campo de la computación cuántica. El principal obstáculo para desarrollar computadores cuánticos es mantener el efecto cuántico activo en lugar de colapsar en materia “normal”.
Hasta ahora, la única estrategia ha sido crear un entorno ultra-frío especial para almacenar el qubit. Esto es tanto un desafío técnico como muy intensivo en energía, aumentando la complejidad y el precio de este tipo de computación.
“Estos nuevos resultados serán de interés para la gran comunidad de investigadores en sistemas cuánticos abiertos y computación cuántica porque los métodos teóricos utilizados en este estudio se emplean ampliamente en esos campos para comprender redes cuánticas complejas en entornos ruidosos”
Pr. Nicolò Defenu – Federal Institute of Technology (ETH) Zurich in Switzerland
Esto abre el camino a procesos más eficientes y quizá más estables y menos intensivos en energía para las futuras generaciones de computadores cuánticos.
Otra opción podría ser aprovechar la superradiancia, ahora demostrada como un fenómeno mucho más robusto de lo que se pensaba anteriormente.
“La superradiancia de un solo fotón promete ofrecer nuevas herramientas para almacenar información cuántica, y este trabajo muestra sus efectos en un contexto totalmente nuevo y diferente.
Sin duda examinaremos de cerca las implicaciones de los efectos cuánticos en sistemas vivos durante los próximos años.
Marlan Scully – Pionero láser y físico teórico de óptica cuántica
Así que, no solo la computación misma podría algún día basarse en efectos cuánticos a escala micrón, sino que el almacenamiento de memoria/información también podría usar la superradiancia.
Computadoras biológicas
Por último, si las neuronas realmente pueden realizar algún tipo de computación cuántica en cualquier forma, esto podría cambiar el potencial de los organoides cerebrales. Estos son tejidos cerebrales cultivados artificialmente que se utilizan actualmente para la investigación biotecnológica sobre enfermedades neurodegenerativas y el cerebro en general.
Los organoides podrían usarse para crear procesadores de chips biológicos, lo que sería mucho más eficiente energéticamente que los chips basados en silicio. Con la IA predicha para consumir una porción creciente de nuestro suministro energético global, esto podría volverse necesario más pronto que tarde.
Exploramos el progreso de la tecnología de organoides cerebrales en nuestro artículo “Pasos significativos hacia la inteligencia de organoides en marcha.”
Invertir en el cerebro cuántico
Como una idea en el límite de la ciencia, actualmente no hay una aplicación directa de estos descubrimientos. Sin embargo, las empresas relacionadas con la computación cuántica y los organoides cerebrales están disponibles para los inversores.
Puedes invertir en empresas relacionadas con la cuántica a través de muchos corredores, y puedes encontrar aquí, en securities.io, nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como en muchos otros países.
Si no estás interesado en seleccionar empresas específicas de computación cuántica, también puedes considerar ETFs de computación cuántica como Defiance Quantum ETF (QTUM), que ofrecerán una exposición más diversificada para capitalizar la industria de la computación cuántica. O puedes consultar nuestro artículo sobre los “5 mejores empresas de computación cuántica”.
Empresas de computación cuántica y neural
1. Intel
(INTL )
Intel es un importante productor de chips y parece buscar aprovechar esta fortaleza en el ámbito de la computación cuántica.
Recientemente lanzó “Tunnel Falls”, el “chip de qubit de spin de silicio más avanzado”. Lo notable es que no es un prototipo sino un chip fabricado a escala, con una tasa de rendimiento del 95 % en todo el wafer y uniformidad de voltaje. Esto abre el camino a la producción masiva de chips de computación cuántica, algo que hasta ahora ha sido esquivo en una industria naciente y de rápido cambio.
Fuente: Intel
Fiel a sus raíces, Intel también está desarrollando el software para utilizar sus chips, con el lanzamiento del Intel Quantum SDK. Esto proporciona la guía para que los programadores desarrollen software de computación cuántica compatible con el diseño de chips cuánticos de Intel, lo que históricamente ha sido una ventaja comercial muy fuerte y rentable para el negocio de chips convencional de Intel.
Fuente: Intel
La llegada de la fabricación escalable de chips cuánticos podría ser tan revolucionaria para la industria como cualquier otro avance científico más técnico, reduciendo costos y estableciendo estándares de programación comunes y arquitecturas de chips.
Intel es una empresa que sabe por experiencia cuán fuerte puede ser esta fuerza en la industria de la computación. Sigue aprovechando el impulso de sus innovaciones y patentes asociadas desde la década de 1960.
2. BICO Group AB (BICO.ST)
Una forma de estudiar el cerebro y los nervios es usar organoides cerebrales. Estos mini-cerebros creados artificialmente pueden usarse para replicar en un laboratorio la reacción de las neuronas a terapias potenciales, ayudando a los investigadores a encontrar tratamientos para el cerebro real completo.
Discutimos con más detalle cómo funciona y los últimos desarrollos en ese campo en “Pasos significativos hacia la inteligencia de organoides en marcha.”
Recientemente, organoides cerebrales mucho más complejos han sido impresos en 3D por investigadores de la Universidad de Wisconsin–Madison. Lo hicieron con una impresora biológica Cellink, abriendo un nuevo potencial para esta máquina en la investigación neurocientífica.
Fuente: Cellink
En 2021, Cellink fue renombrado como BICO Group, tras su adquisición de Cytena en 2019 y Scienion en 2020.
Cellink sigue siendo el nombre de marca para la parte de bioprintado del negocio. La idea es reutilizar métodos de impresión 3D para crear tejidos u órganos 3D bajo demanda. (Puedes leer una discusión sobre este tema en “Impresión 3D de órganos humanos – ¿Qué tan realista es?”).
Bioprinting representa alrededor de 1/5th del negocio, con el segmento de automatización biosciencia generando más de 3/5th de los ingresos.
Fuente: BICO Group AB
Aunque no está solo en el campo, Cellink es claramente un fabricante de equipos de bioprintado muy avanzado. El logro del Pr. Zhang al usar estas máquinas muestra su potencial en la investigación neurológica, un campo que actualmente no está utilizando realmente el bioprintado.
A largo plazo, es probable que las empresas de bioprintado evolucionen de proporcionar herramientas a los investigadores a convertirse en proveedores de terapias de bioprintado para pacientes de compañías farmacéuticas. Esto, a su vez, cambiará completamente la cantidad de bioprinteres en uso y, más importante aún, el volumen de consumibles vendidos cada mes.
Este es el mismo proceso que ocurrió para otros fabricantes de equipos de biolaboratorio, incluidas las máquinas de secuenciación genómica de PacBio (PACB) y Illumina (ILMN), que terminan obteniendo el 80 % de sus ingresos de ventas recurrentes de consumibles.
Si la investigación de organoides cerebrales recibe un impulso agresivo debido a su potencial en la computación y la investigación de física cuántica, podría ser muy beneficioso para las empresas involucradas en su producción, como Cellink/BICO.
3. Final Spark
Fundada por Martin Kutter y Fred Jordan en 2014 y con sede en Suiza, Final Spark aboga por procesadores de chips biológicos que consumen mucho menos energía (1 mil millones de veces más eficientes que los chips de silicio).
Como afirma la startup, ya ha probado 10 millones de neuronas en su esfuerzo por construir máquinas pensantes a partir de neuronas humanas vivas derivadas de la piel.
La startup está aprovechando técnicas sofisticadas de cultivo celular para demostrar la capacidad de computación autosostenida para la creación de futuros modelos de IA.
Final Spark ahora ofrece acceso a su capacidad de biocomputación a través de la nube. Su Neuroplatform está disponible para instituciones de investigación a una tarifa mensual de $500 por usuario.
