Toimivatko aivot kvanttitietokoneena? Uusia näkökulmia hypoteesiin

Aivot kellona vai tietokoneena?

Tietoisuus, korkeamman tason ajattelu ja aivojen toiminta sisältävät yhä avoimia kysymyksiä. Historian aikana ihmismieltä on kuvattu erilaisilla vertauskuvilla, joissa on usein hyödynnetty aikakauden kehittyneintä teknologiaa.

Aivoja on eri aikoina verrattu vesikelloihin, nesteiden virtaukseen, mekaanisiin kelloihin ja sähköpiireihin. Nykyään tietokone on tavallinen vertauskuva. Hermosolut välittävät sähkökemiallisia signaaleja, mutta ne eivät ole yksinkertaisesti biologisia transistoreja.

Käytännössä mikään näistä selityksistä, mukaan lukien “biologinen tietokone”, ei täysin selitä, miten aivot toimivat.

Aivojen energiankulutukseksi arvioidaan usein noin 12–25 wattia. Vertailun vuoksi Nvidian (NVDA ) tekoälykiihdyttimien tehonkulutus voi mallista riippuen olla esimerkiksi 250–700 wattia. Watti on tehon, ei sähkövirran yksikkö, eivätkä nämä luvut yksin mittaa ajattelukykyä tai vertailukelpoista laskentasuorituskykyä.

Ei myöskään tiedetä, riittääkö pelkkä laskentatehon lisääminen selittämään tai tuottamaan ihmisen kaltaista ajattelua. Suuret kielimallit eli LLM:t tuottavat tekstiä opittujen tilastollisten rakenteiden perusteella; niiden toimintaa ei voi rinnastaa suoraan ihmisen tietoisuuteen.

Yksi ehdotettu, mutta kiistanalainen selitysmalli liittää tietoisuuden tiettyihin kvantti-ilmiöihin. Sen paikkansapitävyyttä ei ole osoitettu.

Ovatko aivot kvanttinen järjestelmä?

Penrosen tuki

Kvanttitietoisuudeksi kutsutaan erilaisia hypoteeseja, joissa aivotoiminnan tai tietoisuuden ehdotetaan riippuvan esimerkiksi kvanttitilojen koherenssista tai aaltofunktion romahtamisesta.

Kvanttimekaniikassa superpositio kuvaa tilaa, joka voi sisältää useita mahdollisia mittaustuloksia. Mittauksen yhteys havaittuun tulokseen ja sen tulkinta ovat perustavanlaatuisia kysymyksiä. Tätä havainnollistaa tunnettu Schrödingerin kissa -ajatuskoe.

Lähde: Wikipedia

Kvanttitietoisuusteoriaa on puolustanut Sir Roger Penrose, kuuluisa fyysikko, joka voitti Fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 2020 työstään astrofysiikassa ja mustien aukkojen matemaattisessa mallintamisessa.

Lähde: Nobel Prize

Penrosen tunnettuus on lisännyt ajatuksen näkyvyyttä. Hänen saavutuksensa fysiikassa eivät kuitenkaan itsessään osoita tietoisuutta koskevaa hypoteesia oikeaksi.

Mikrotubulukset ja laskenta

Penrosen ja Stuart Hameroffin hypoteesi käsittelee mikrotubuluksia eli solun tukirankaan kuuluvia rakenteita, joita on myös hermosoluissa. He ehdottavat niiden kvanttiprosesseilla olevan rooli tietoisuudessa. Aihetta käsiteltiin heidän vuoden 1996 julkaisussaan. Kyse on teoriasta, ei osoitetusta tietoisuuden mekanismista.

Lähde: Center for Consciousness Studies, University of Arizona

Hypoteesiin on liitetty myös ehdotus, jonka mukaan anestesia voisi vaikuttaa tubuliinin kvanttiprosesseihin. Tämä ei ole vakiintunut kokonaiskuva anestesian toiminnasta. Yleisanestesiaa on käytetty yli vuosisadan ajan, ja sen tunnetut vaikutukset liittyvät muun muassa hermosolujen reseptoreihin ja verkostojen toimintaan.

Penrose esittelee ajatuksiaan myös tässä 42 minuutin videossa:

Teoriaan kohdistuva kritiikki

Ajatus aivoissa tapahtuvasta tietoisuudelle olennaisesta kvanttilaskennasta on saanut paljon kritiikkiä. Keskeinen kysymys on, voisivatko tarvittavat kvanttitilat säilyä riittävän pitkään lämpimässä ja voimakkaasti ympäristön kanssa vuorovaikuttavassa kudoksessa. Kvantti-ilmiöt eivät kuitenkaan yleisesti edellytä tyhjiötä tai lähes absoluuttisen nollapisteen lämpötilaa.

Monet kvanttitietokoneet, erityisesti suprajohtaviin kubitteihin perustuvat, tarvitsevat erittäin kylmän ja tarkasti hallitun ympäristön. Kaikki laiteratkaisut eivät toimi samalla tavalla. Aihetta käsitellään artikkelissamme ”Kvanttilaskennan nykytila”.

Aivojen lämpötila ja monimutkainen ympäristö vaikeuttavat joidenkin ehdotettujen koherenttien kvanttiprosessien säilymistä. Tämä on eri väite kuin se, ettei biologisissa järjestelmissä voisi esiintyä mitään kvantti-ilmiöitä.

Kvanttitapahtumien ketju aivoissa

Kvanttibiologia tutkii kvantti-ilmiöiden mahdollista merkitystä biologisissa prosesseissa. Yksittäinen tällainen ilmiö ei vielä tarkoita, että eliö suorittaisi yleiskäyttöistä kvanttilaskentaa.

Esimerkiksi lintujen magneettiaistin on ehdotettu perustuvan radikaaliparimekanismiin, jossa elektronien spintilat vaikuttavat kemiallisiin reaktioihin.

Kun radikaalit reagoivat, lopputulos voi riippua magneettikentän voimakkuudesta ja suunnasta. Hypoteesin mukaan lintu aistii tämän vaikutuksen tavalla, joka auttaa suunnistuksessa. Radikaaliparin elektronien kvanttitilojen väliset yhteydet ovat mekanismin kannalta keskeisiä.

Musser, ”Voivatko aivojen kvanttivihjeet elvyttää radikaalin tietoisuusteorian?”

 Viimeaikaiset mittaukset

Vuoden 2022 tutkimuksessa raportoitiin sydämenlyönteihin liittyviä magneettikuvaussignaaleja, joita tutkijat tulkitsivat mahdolliseksi viitteeksi ei-klassisesta aivotoiminnasta. Tulos ei yksin todista aivojen kvanttilaskentaa tai tietoisuuden kvanttiselitystä.

(Kvanttilomittuminen tarkoittaa kvanttijärjestelmien välistä yhteyttä, jossa yhteistä tilaa ei voi kuvata toisistaan riippumattomien osien tiloina. Se ei mahdollista tiedon lähettämistä valoa nopeammin.)

Huhtikuussa 2024 julkaistu tutkimus tarkasteli biologisten proteiinirakenteiden valon kanssa tapahtuvia kollektiivisia vuorovaikutuksia. Se ei osoittanut tietoisuuden syntymistä kvanttilaskennasta eikä kuvannut toimivaa kvanttitietokonetta elävissä aivoissa.

Tutkittu ilmiö oli superradianssi eli yhteistoiminnallinen säteily. Julkaisussa ”Ultraviolettisuperradianssi tryptofaanin laajoissa verkostoissa biologisissa rakenteissa” tarkasteltiin tryptofaania sisältäviä rakenteita, kuten tubuliinista muodostuvia mikrotubuluksia.

Lähde: ACS-julkaisut

Proteiinirakenteiden yhteistoiminnalliset optiset ominaisuudet ovat kiinnostavia kvanttibiologian kannalta. Niiden tutkiminen malleissa ja näytteissä ei kuitenkaan vastaa kvanttilaskennan osoittamista elävien ihmisaivojen hermosoluissa.

Erillisessä teoreettisessa työssä on ehdotettu holografista muistimallia, jossa hyödynnetään superradianssia. Malli ja numeeriset simulaatiot eivät osoita, että ihmisen muistot todellisuudessa tallentuvat tällä tavalla.

Ovatko aivot siis kvanttisupertietokone?

Tällaista johtopäätöstä ei voida tehdä näistä havainnoista. Superradianssin tutkiminen proteiinirakenteissa voi auttaa ymmärtämään tiettyjä kollektiivisia kvantti-ilmiöitä, mutta se ei ratkaise tietoisuuden mekanismia.

Havainnosta on pitkä matka Penrosen ehdottaman painovoimaan liittyvän aaltofunktion romahtamisen osoittamiseen tietoisuuden perustaksi. Proteiinien optiset ominaisuudet voivat antaa aihetta lisätutkimukseen, mutta ne eivät todista hermosolujen välittävän tietoa valokuitujen tavoin.

Mahdolliset optiset mekanismit eivät myöskään korvaa vakiintunutta tietoa hermosolujen sähkökemiallisesta viestinnästä, jossa ionivirrat ja synaptiset välittäjäaineet ovat keskeisiä.

Osa optisista prosesseista voi tapahtua pikosekunneissa. Pikosekunti on sekunnin biljoonasosa eli millisekunnin miljardisosa. Pelkästä tällaisesta aikaskaalasta ei voi päätellä, että aivojen tiedonkäsittely olisi satoja miljoonia kertoja tavallista hermoviestintää nopeampaa.

Sovellukset

Neurodegeneratiiviset sairaudet

Tulokset ovat perustutkimusta, eikä niistä seuraa välittömästi käytännön sovellusta.

Yksi jatkotutkimuksen aihe voisi olla proteiinien optisten ominaisuuksien yhteys hermoston rappeutumissairauksiin, kuten Alzheimerin tautiin. Tutkimus ei osoita menetelmää taudin ehkäisyyn tai hoitoon.

Alzheimerin tautiin liittyy oksidatiivista stressiä. On ehdotettu, että tryptofaaniverkostojen kyky käsitellä ultraviolettisäteilyä voisi osallistua solujen suojaamiseen.

Tryptofaani voi absorboida ultraviolettivaloa ja emittoida valoa pienemmällä energialla. Laajojen proteiiniverkostojen kollektiiviset optiset ominaisuudet saattavat vaikuttaa tähän, mutta suojaavan vaikutuksen merkitys elävässä kudoksessa vaatii lisätutkimusta.

Lähde: The Quantum Insider

Mikrotubulusten ja Alzheimerin taudin välistä yhteyttä on tutkittu pitkään, muun muassa vuonna 1989 julkaistussa työssä. Tau-proteiini liittyy normaalisti mikrotubulusten toimintaan. Taudissa sen poikkeava käyttäytyminen ja kasautuminen voivat häiritä hermosoluja. Tämä yhteys ei itsessään todista kvanttitietoisuushypoteesia.

Kvanttilaskenta

Kollektiivisten optisten ilmiöiden säilyminen monimutkaisissa rakenteissa voi auttaa tutkimaan ympäristön vaikutusta kvanttijärjestelmiin.

Tällainen tutkimus voi kiinnostaa myös kvanttilaskennan kehittäjiä. Yksi keskeinen haaste on säilyttää ja hallita kvanttitiloja riittävän luotettavasti laskennan aikana; dekoherenssi ei tarkoita aineen muuttumista ”tavalliseksi aineeksi”.

Jäähdytys on tärkeä osa monia kvanttitietokoneita, mutta se ei ole ainoa tapa hallita kubitteja tai niiden ympäristöä. Eri laitealustoilla on erilaiset vaatimukset ja tekniset haasteet.

Nämä tulokset kiinnostavat avoimien kvanttijärjestelmien ja kvanttilaskennan tutkijoita, sillä tutkimuksessa käytettyjä teoreettisia menetelmiä hyödynnetään näillä aloilla monimutkaisten kvanttiverkostojen tarkasteluun häiriöisissä ympäristöissä.

Nicolò Defenu, ETH Zürich, Sveitsi

Tulokset voivat pitkällä aikavälillä tarjota ideoita kvanttijärjestelmien vakauden ja energiatehokkuuden tutkimiseen. Ne eivät vielä osoita tehokkaampaa kvanttitietokonetta.

Superradianssin hyödyntäminen kvanttitiedon käsittelyssä tai tallentamisessa on yksi mahdollinen tutkimussuunta.

“Yhden fotonin superradianssi lupaa tuottaa uusia työkaluja kvanttisen tiedon tallentamiseen, ja tämä työ esittelee sen vaikutuksia täysin uudessa ja erilaisessa kontekstissa.

Tutkimme varmasti tarkasti kvanttiefektien merkityksiä elävissä järjestelmissä vuosien ajan.”

Marlan Scully, laserfysiikan pioneeri ja teoreettisen kvanttioptiikan tutkija

Kollektiivisia kvantti-ilmiöitä voidaan siis tutkia sekä laskennan että tiedon tallentamisen näkökulmasta. Tämä ei kuitenkaan osoita biologista kvanttimuistia toimivissa aivoissa.

Biologiset tietokoneet

Aivo-organoidit ovat laboratoriossa kasvatettuja hermokudoksen malleja, joita käytetään muun muassa sairauksien ja aivojen kehityksen tutkimiseen. Niiden biolaskentamahdollisuuksia voidaan tutkia riippumatta siitä, onko aivojen kvanttilaskentahypoteesi oikea.

Organoideihin perustuvien laskentajärjestelmien mahdollista energiatehokkuutta tutkitaan, mutta vertailussa on huomioitava myös soluviljelyn ja mittauslaitteiden energiankulutus. Tekoälyn kasvava energiantarve lisää kiinnostusta vaihtoehtoihin, mutta biologiset järjestelmät eivät vielä korvaa piiprosessoreita.

Aivo-organoidien kehitystä käsittelemme artikkelissamme ”Merkittäviä edistysaskelia kohti organoidiälyä”.

Sijoittaminen kvanttiaivoihin

Näistä tietoisuutta koskevista hypoteeseista ei vielä ole suoraa kaupallista sovellusta. Sijoittajien saatavilla on kuitenkin yrityksiä, jotka kehittävät kvanttilaskentaa tai toimittavat laitteita hermokudoksen tutkimukseen. Niiden liiketoiminnan menestys ei osoita hypoteeseja oikeiksi.

Voit sijoittaa kvanttialan yrityksiin monien välittäjien kautta, ja löydät täältä, securities.io, suosituksemme parhaista välittäjistä Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, sekä monissa muissa maissa.

Jos et halua valita yksittäisiä kvanttilaskentayrityksiä, voit tutkia alan ETF:iä, kuten Defiance Quantum ETF (QTUM) -rahastoa. Se tarjoaa hajautettua altistusta strategiansa mukaisille yrityksille, ei riskitöntä sijoitusta eikä suoraa omistusta kaikissa kvanttialan toimijoissa. Voit myös tutustua artikkeliimme ”Viisi johtavaa kvanttilaskentayritystä”.

Kvantti- ja neurotietokoneyritykset

1. Intel

Intel (INTC ) on merkittävä sirujen valmistaja ja näyttää pyrkivän hyödyntämään tätä vahvuutta kvanttialan saralla.

Intel esitteli vuonna 2023 Tunnel Fallsin, 12 kubitin piipohjaisen tutkimussirun. Intel ilmoitti noin 95 %:n valmistussaannon kiekolla sekä CMOS-prosessia muistuttavan jännitetasojen yhdenmukaisuuden. Saanto ei tarkoita 95 %:n laskentatarkkuutta, eikä siru ole valmis yleiskäyttöinen kvanttitietokone. Tavoitteena on kehittää skaalautuvaa valmistusta.

Lähde: Intel

Intel kehittää myös kvanttiohjelmistotyökaluja, kuten Intel Quantum SDK:n. Työkalut auttavat kehittämään ja simuloimaan kvanttiohjelmia. Ohjelmistojen ja laitteiden yhteensovittaminen voi tukea ekosysteemiä, mutta kvanttiliiketoiminnan kannattavuutta ei vielä voi rinnastaa Intelin perinteiseen prosessoriliiketoimintaan.

Lähde: Intel

Kvanttisirujen skaalautuvan valmistuksen kehitys voisi alentaa kustannuksia ja helpottaa yhteisten arkkitehtuurien sekä ohjelmointikäytäntöjen muodostumista. Laajamittainen hyödyntäminen edellyttää kuitenkin vielä monien teknisten ongelmien ratkaisemista.

Vuonna 1968 perustetulla Intelillä on pitkä kokemus puolijohteiden valmistuksesta. Tämän osaamisen hyödyntäminen kvanttilaitteissa on mahdollisuus, ei tae menestyksestä.

2. BICO Group AB (BICO.ST)

Aivo-organoidit ovat yksi tapa tutkia hermoston kehitystä ja sairauksia laboratoriossa. Niiden avulla voidaan tarkastella esimerkiksi hermosolujen vastetta mahdollisiin hoitoihin. Ne eivät ole kokonaisia ihmisaivoja eivätkä jäljittele kaikkia niiden toimintoja.

Aihetta käsitellään tarkemmin artikkelissa ”Merkittäviä edistysaskelia kohti organoidiälyä”.

Wisconsin–Madisonin yliopiston tutkijat 3D-tulostivat toiminnallisia yhteyksiä muodostavaa ihmisen hermokudosta käyttäen muun muassa Cellinkin biotulostusteknologiaa. Tulostettu hermokudos on erotettava itsestään järjestäytyvistä organoideista ja kokonaisista aivoista.

Lähde: Cellink

Cellink-konserni nimettiin vuonna 2021 BICO Groupiksi. Sitä ennen konserni oli hankkinut Cytenan vuonna 2019 ja Scienionin vuonna 2020.

Cellink säilyi biotulostusliiketoiminnan tuotemerkkinä. Teknologialla tuotetaan muun muassa kudosmalleja tutkimukseen; toimivien elinten valmistaminen potilaille on erillinen ja vaativampi tavoite. (Lue lisää artikkelista ”Ihmisen elinten 3D-tulostus – kuinka realistista se on?”.)

Biotulostus oli yksi BICOn raportoiduista liiketoiminta-alueista. Vuonna 2023 sen rinnalla olivat biotieteiden tutkimuslaitteet ja laboratorioautomaatio. Alueiden osuuksia on tarkasteltava kyseisen raportointikauden ja konsernirakenteen mukaan.

Lähde: BICO Group AB

Cellink on yksi biotulostuslaitteiden valmistajista. Su-Chun Zhangin ryhmän työ havainnollistaa laitteiden mahdollisuuksia hermokudoksen tutkimuksessa, mutta ei yksin osoita kliinistä sovellusta tai valmistajan paremmuutta kilpailijoihin nähden.

Pitkällä aikavälillä biotulostuksen käyttö voisi laajentua tutkimuksesta lääkekehitykseen ja mahdollisesti potilashoitoihin. Jos näin tapahtuu, laitteiden ja kulutustarvikkeiden kysyntä voi kasvaa. Aikataulu ja kaupallinen laajuus ovat kuitenkin epävarmoja.

Tutkimuslaitteiden valmistajien liiketoimintaan voi kuulua toistuvaa kulutustarvikemyyntiä. Esimerkkejä ovat sekvensointiyritykset PacBio (PACB) ja Illumina (ILMN). Kulutustarvikkeiden osuus vaihtelee yrityksen ja ajanjakson mukaan; samaa 80 %:n osuutta ei voi olettaa kaikille valmistajille.

Jos organoiditutkimuksen rahoitus ja käyttö kasvavat, myös laitteita ja materiaaleja toimittavat yritykset, kuten Cellink/BICO, voivat hyötyä. Tämä ei edellytä sitä, että organoidien kvanttilaskenta olisi osoitettu.

3. FinalSpark

Vuonna 2014 Sveitsissä perustettu FinalSpark tutkii elävien hermosolujen käyttöä laskennassa. Tavoitteena on energiatehokkaampi tiedonkäsittely, mutta yksittäisiin soluihin perustuvia arvioita ei voi käyttää todisteena koko järjestelmän miljardinkertaisesta tehokkuudesta piisiruihin verrattuna.

Yhtiö on kertonut testanneensa yhteensä noin 10 miljoonaa hermosolua. Sen tavoitteena on kehittää eläviin soluihin perustuvaa laskentaa. Solut tuotetaan soluviljelyssä esimerkiksi uudelleenohjelmoiduista kantasoluista; kyse ei ole ihosta irrotetuista valmiista hermosoluista.

Yhtiö käyttää soluviljelyä sekä sähköistä mittausta ja stimulaatiota tutkiakseen hermoverkkojen tiedonkäsittelyä. Tekoälyyn liittyvät tulevat sovellukset ovat tutkimustavoitteita, eivät osoitettuja itsenäisesti toimivia yleiskäyttöisiä prosessoreita.

FinalSpark tarjoaa Neuroplatform-tutkimusalustalle etäyhteyden. Artikkelin vuoden 2024 tietojen mukaan tutkimuslaitoksille ilmoitettu hinta oli 500 dollaria käyttäjää kohti kuukaudessa. Tämä on historiallinen hintatieto, ei nykyinen tarjous.