Onko aivot kvanttitietokone? Uudet näkemykset sanovat, että se saattaa olla

Aivot kellona vai tietokoneena?

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 erilaisten vertauskuvien kautta, yleensä käyttäen aikakauden edistyneintä teknologiaa.

Antiikin kreikkalaiset näkivät sen vesikellona. Myöhemmät ajattelijat uskoivat sen toimivan kehon nesteiden liikkeen, sitten mekaanisen kellon, sitten sähköisen piirin avulla. Nykyään näemme sen erittäin voimakkaana tietokoneena, jota ohjaavat sähköiset signaalit, ja jokainen neuroni on eräänlainen biologinen transistori.

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

Esimerkiksi aivojen laskentateho toimii vain 12–25 watin sähkövirralla, juuri riittäen LED-valon sytyttämiseen. Vertailun vuoksi yksi Nvidia (NVDA ):n AI-siru kuluttaa 250–700W paljon vähemmän “ajattelukapasiteetilla”.

On myös epäselvää, onko “lisää laskentatehoa” todella vastaus monimutkaisten ajatusten ja abstraktin päättelyn tuottamiseen, joka ylittäisi pelkän arvaamisen, kuten LLM:t (Large Language Models) tällä hetkellä tekevät.

Siksi on esitetty muita teorioita, erityisesti että kvanttiefektit ovat vastuussa tietoisuuden syntymisestä.

Onko aivot kvanttisia?

Penrosen tuki

There is a theory dubbed “quantum consciousness,” which stipulates that brain functions and consciousness are derived from quantum effects like the collapse of the quantum wavefunction.

Tämä on outo osa kvanttifysiikkaa, jossa hiukkaset siirtyvät samanaikaisten ominaisuuksien tilasta kohti “normaalia” tilaa, jossa niillä on yksi määritelty ominaisuus. Tämä on erityisesti tullut tunnetuksi Schrödingerin kissan konseptin avulla.

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

While he may be out of his immediate field of expertise, Penrose’s reputation as a world-class genius gave some attention to this idea.

Mikrotubulusten laskelmat

Penrosen teoria keskittyy neuroneissa oleviin rakenteisiin, joita kutsutaan mikrotubuleiksi, ja jotka muodostavat solujen “luurangon”. Nämä rakenteet ovat olennaisia suorittaessaan laskelmia, jotka lopulta johtavat tietoisuuteen. Tämä ajatus julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 1996.

Lähde: Center for Consciousness Studies, University of Arizona

Tämä teoria myös selittäisi, miten yleisanestesia toimii, kysymys, joka on edelleen avoin lähes vuosisadan käytön jälkeen. Se toimisi heikentämällä kvanttiefektiä tubuliinissa, estäen tietoisuuden mutta ei tiedostamatonta aivotoimintaa.

Voit myös katsoa Sir Penroksen selittävän teoriansa itse tässä 42‑minuutin videossa:

Kritiikit

The idea of quantum computing happening in the brain has been immediately criticized by a large part of the scientific community. The main problem is that quantum entanglement and collapse of the quantum wavefunction can only be observed in very special environments, generally with pure elements, vacuum, and/or very low temperature, often barely a few degrees above absolute zero.

These are also the type of conditions currently required for quantum computers, as we described in our article on the topic: “Quantum Computingin nykytila”.

An organic brain would be too warm and too complex of a medium to conduct any quantum calculation.

Kvanttitapahtumien ketju aivoissa

The idea that no quantum phenomenon could take place in the messy context of organic matter is being increasingly challenged.

We already suspect that the magnetic sense of birds, allowing them to locate the north and migrate, is linked to such a quantum effect.

When these radicals eventually react, the outcome will depend on the strength and orientation of the magnetic field. The thinking is that the bird is sensitive to this in a way that allows it to tell north from south. The process is highly quantum as the radical pair electrons are entangled, which means that they act as a single quantum object, even though they are some distance apart.

Musser, ”Radical consciousness theory?”

 Viimeaikaiset mittaukset

Vuonna 2022 kokeilu näyttää osoittavan, että kvanttisia signaaleja aivoissa korreloi “syke-aktivoitujen potentiaalien” (HEP) kanssa. Tämä voisi osoittaa, että kvanttisidonta on mahdollinen ihmiskehossa.

(Kvanttisidonta on, kun 2 hiukkasta on paritettu yhteen, ja ne voivat “kommunikoida” keskenään, jopa ilman signaalia ja nopeammin kuin valonnopeus).

More recently, in huhtikuu 2024, a new insight into the brain demonstrated that at least some quantum effect can exist in neurons, where they were previously thought impossible.

More precisely, it is a phenomenon called superradianssi. In a publication titled “Ultravioletti-superradianssi mega-verkostoista tryptofiinista biologisissa arkkitehtuureissa”, they demonstrate that large structures built out of the amino acid tryptophan, like neurons tubulin, can display superradiance.

Lähde: ACS Publication

Such display of stable quantum effects from micron-scale structures is unprecedented, especially for materials as complex and “noisy” as biological molecules in living cells.

Going maybe even further, some scientists are proposing that memories in organic brains are created through a holographic system using superradiance.

Onko siis aivot kvanttinen supertietokone?

It is way too early to say for certain. However, with the discovery of superradiance in tubulin, the main argument that quantum effects cannot work in neurons’ substructures is severely weakened.

There is still quite a gap from this observation to demonstrating that consciousnesses is the result of “gravity-induced collapse of the quantum wavefunction”, per Penrose’s theory. Nevertheless, the latest discovery implies that neurons could transmit information through optical signals, like optic fibers.

This would replace the more commonly understood idea that neuronal signaling involves ions moving across membranes from one end of the neuron to the other.

Superradiance is an extremely quick phenomenon that happens in the range of picoseconds (a billionth of a millisecond). This would make any signal transmitted through this effect hundreds of millions of times faster than chemical processes alone would allow.

Sovellukset

Neurodegeneratiiviset sairaudet

While fascinating, it might not be obvious what is the direct application of such discovery.

One could be helping to understand and prevent neurodegenerative diseases like Alzheimer’s.

Alzheimerin tauti on yhdistetty korkeisiin oksidatiivisen stressin tasoihin—kun elimistö kantaa suurta määrää vapaita radikaaleja, jotka voivat lähettää vahingoittavia, korkeaenergisiä UV-valojohteita.

Tryptofiini voi absorboida tätä ultraviolettivaloa ja säteillä sen takaisin alhaisemmalla, turvallisemmalla energialla. Ja kuten tämä tutkimus havaitsi, erittäin suuret tryptofiinin verkostot voivat tehdä tämän vielä tehokkaammin ja kestävämmällä tavalla niiden voimakkaiden kvanttiefektien ansiosta.

Lähde: The Quantum Insider

Tämä ei ole oikeastaan uusi teoria, koska mikrotubuleita on oletettu osallistuvan Alzheimerin tautiin vuodesta 1989 lähtien. Tiedetään, että tau-proteiini irtoaa mikrotubuleista ja tarttuu muihin tau-molekyyleihin taudissa, muodostaen säikeitä, jotka lopulta yhdistyvät solujen sisäisiksi takkuiksi.

Kvanttilaskenta

The demonstration of a quantum effect surviving in a messy environment challenges everything we thought we knew about these phenomena.

It could be of great importance for the emerging field of quantum computing. The main hindrance to developing quantum computers is keeping the quantum effect going instead of collapsing into “normal” matter.

Until now, the only strategy has been to create an ultra-cold special environment for storing the qubit. This is both a technical challenge and very energy intensive, pumping up the complexity and price of such a type of computing.

These new results will be of interest to the large community of researchers in open quantum systems and quantum computation because the theoretical methods used in this study are widely employed in those fields to understand complex quantum networks in noisy environments

Pr. Nicolò Defenu – Federal Institute of Technology (ETH) Zurich in Switzerland

This opens the way for more efficient and maybe more stable and less energy-intensive processes for the future generations of quantum computers.

Another option could be leverage superradiance, now demonstrated to be a much more robust phenomenon than previously thought.

“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 – Laser pioneer & theoretical quantum optics physicist

Joten, ei vain laskenta itsessään voisi joskus perustua mikronikokoisiin kvanttiefekteihin, vaan myös muisti/tiedon tallennus voisi hyödyntää superradianssia.

Biologiset tietokoneet

Lastly, if neurons are indeed able to perform some sort of quantum computing in any form, this could change the potential of cerebral organoids. These are artificially grown brain tissues currently used for biotech research on neurodegenerative diseases and the brain in general.

Organidoideja voitaisiin käyttää luomaan biologisia siruprosessoreita, jotka olisivat paljon energiatehokkaampia kuin piipohjaiset sirut. Kun AI:n odotetaan kuluttavan yhä suuremman osan maailman energiavarannoistamme, tästä voisi tulla tarpeellinen ennemmin kuin myöhemmin.

Tutkimme aivorganidoiditeknologian edistymistä artikkelissamme “Merkityksellisiä askeleita kohti organoiditiedonälyä.”

Sijoittaminen kvanttiaivoihin

As an idea at the very edge of science, there is currently no direct application of these discoveries. However, quantum computing and cerebral organoids-related companies are available to investors.

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

If you are not interested in picking specific quantum computing companies, you can also look into quantum computing ETFs like Defiance Quantum ETF (QTUM) which will provide a more diversified exposure to capitalize on the quantum computing industry. Or you can look at our article on the “5 Parasta kvanttialan yritystä”.

Kvantti- ja neurotietokoneyritykset

1. Intel

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

Se julkaisi äskettäin “Tunnel Falls”, “edistyksellisin piisirun spini‑kvanttisiru”. Merkittävää on, että se ei ole prototyyppi vaan mittakaavassa rakennettu siru, jonka läpimenoaste on 95 % läpivalon yli ja jänniteyhtenäisyys. Tämä avaa tien kvanttialan sirujen massatuotannolle, mikä on toistaiseksi vaikeasti saavutettavissa aloittelevassa ja nopeasti muuttuvassa teollisuudessa.

Lähde: Intel

Juuri juurilleen uskollinen Intel kehittää myös ohjelmistoja sirujensa hyödyntämiseen, julkaisten Intel Quantum SDK:n. Tämä tarjoaa ohjeistuksen ohjelmoijille kehittää kvanttialan ohjelmistoja, jotka ovat yhteensopivia Intelin kvanttisirujen suunnittelun kanssa, mikä on historiallisesti ollut erittäin vahva ja kannattava liiketoimintavalli Intelin perinteiselle sirualalle.

Lähde: Intel

The arrival of scalable quantum chip manufacturing could be as revolutionary for the industry as any other more technical scientific breakthrough, bringing down costs, and setting common programming standards and chip architectures.

Intel on yritys, joka kokemusperäisesti tietää, kuinka voimakas voima tämä voi olla laskentateollisuudessa. Se jatkaa edelleen innovaatioidensa ja 1960‑luvuista lähtien kertyneiden patenttiensa perässä.

2. BICO Group AB (BICO.ST)

Yksi tapa tutkia aivoja ja hermoja on käyttää aivorganidoideja. Nämä keinotekoisesti luodut mini-aivot voidaan käyttää laboratoriossa jäljittelemään neuronien reaktiota mahdollisiin hoitoihin, auttaen tutkijoita löytämään hoitoa koko oikealle aivoille.

Käsittelimme tarkemmin, miten se toimii ja alan viimeisimmät kehitykset artikkelissa “Merkityksellisiä askeleita kohti organoiditiedonälyä.”

Äskettäin, paljon monimutkaisempia aivorganidoideja on 3D‑tulostettu Wisconsin–Madisonin yliopiston tutkijoiden toimesta. He tekivät sen Cellink-biotulostimella, avaten uusia mahdollisuuksia tälle laitteelle neurotieteen tutkimuksessa.

Lähde: Cellink

Vuonna 2021 Cellink nimettiin uudelleen BICO Groupiksi, sen jälkeen kun se hankki Cytenan vuonna 2019 ja Scienionin vuonna 2020.

Cellink on edelleen brändinimi biotulostusosastolle. Ideana on käyttää 3D‑tulostusmenetelmiä luomaan tilauksesta 3D‑kudoksia tai elimiä. (Voit lukea keskustelun tästä aiheesta artikkelissa “3D‑tulostus ihmisen elimistä – Kuinka realistista se on?”).

Biotulostus edustaa noin 1/5^th liiketoiminnasta, ja bioscientific automation -segmentti tuottaa yli 3/5^th tuloista.

Lähde: BICO Group AB

Vaikka se ei ole ainoa alalla, Cellink on selvästi erittäin edistynyt biotulostuslaitteiden valmistaja. Pr. Zhangin saavutus näiden koneiden avulla osoittaa niiden potentiaalin neurologian tutkimuksessa, alalla, joka ei tällä hetkellä juuri hyödynnä biotulostusta.

Pitkällä aikavälillä biotulostusyritykset todennäköisesti kehittyvät tarjoamaan työkaluja tutkijoille kohti lääketeollisuuden biotulostusterapioiden toimittamista potilaille. Tämä puolestaan muuttaa täysin käytössä olevien biotulostimien määrää ja, mikä tärkeämpää, kulutustarvikkeiden myyntimäärää kuukausittain.

Tämä on sama prosessi, joka tapahtui muille biolaboratoriolaitteiden valmistajille, mukaan lukien genomin sekvensointilaitteet PacBio (PACB) ja Illumina (ILMN), jotka lopulta tekevät 80 % tuloistaan kulutustarvikkeiden toistuvista myynneistä.

Jos aivorganidoiditutkimukseen panostetaan voimakkaasti sen potentiaalin vuoksi laskennassa ja kvanttifysiikan tutkimuksessa, se voisi olla erittäin hyödyllistä niiden valmistamiseen osallistuville yrityksille, kuten Cellink/BICO.

3. Final Spark

Vuonna 2014 Sveitsissä perustettu Final Spark puolustaa biologisia siruprosessoreita, jotka kuluttavat paljon vähemmän energiaa (miljardi kertaa tehokkaampia kuin piisirut).

Kuten startup väittää, se on jo testannut 10 miljoonaa neuronia pyrkimyksessään rakentaa ajattelukoneita elävistä ihmisen ihosta johdetuista neuroneista.

Startup hyödyntää kehittyneitä solukultivaatiotekniikoita osoittaakseen itseään ylläpitävän laskennan kyvyn tulevien AI‑mallien luomiseksi.

Final Spark tarjoaa nyt pääsyn biolaskentakapasiteettiinsa pilven kautta. Sen Neuroplatform on saatavilla tutkimuslaitoksille kuukausihintaan 500 $ per käyttäjä.