コンピューティング
脳は量子コンピュータか？ 新たな洞察がそれの可能性を示す
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脳は時計かコンピュータか？
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 当時最先端の技術を用いたさまざまな類推を通じて.
古代ギリシャ人はそれを水時計と見なしました。その後の思想家は体液の動きで駆動すると考え、次に機械式時計、そして電気回路と考えました。今日では、電気信号で駆動する非常に強力なコンピュータとして捉えられ、各ニューロンは一種の生体トランジスタと見なされています。
実際には、「生体コンピュータ」を含むこれらの説明はいずれも脳の働きを完全に説明できていません。
例えば、脳の計算能力はわずか12〜25ワットの電力で動作し、LEDライトを点灯させる程度のエネルギーしかありません。対照的に、Nvidia (NVDA ) のAIチップ1枚だけで250〜700ワットを消費し、はるかに低い「思考」能力しか持ちません。
また、「より多くの計算能力」が、LLM（大規模言語モデル）が現在行っている単なる推測を超えて、複雑な思考や抽象的推論を生み出す答えであるかは不明です。
このため、他の理論が提案されており、特に量子効果が意識の出現に関与しているという説があります。
脳は量子なのか？
ペンローズの支持
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.
これは量子物理学の奇妙な側面で、粒子が同時に複数の性質を持つ状態から、1つの明確な特性を持つ「通常」の状態へと変化します。特にシュレディンガーの猫の概念で広く知られています。
出典: Wikipedia
The quantum consciousness theory has been championed by Sir Roger Penrose, a famous physicist who won 2020年にノーベル物理学賞を受賞した有名な物理学者ロジャー・ペンローズ卿によって提唱されています。
出典: Nobel Prize
彼は直接の専門分野からは外れていますが、ペンローズの世界的天才としての評価がこの考えに一定の注目を集めました。
微小管の計算
ペンローズの理論は、ニューロン内の「微小管」と呼ばれる構造に焦点を当てており、これが細胞の“骨格”を形成します。これらの構造は、最終的に意識につながる計算を行う上で不可欠です。この考えは最初に発表された1996年に。
この理論は全身麻酔がどのように機能するかを説明できるでしょう。これは約1世紀にわたる使用にもかかわらず未解決の問題です。チューブリン内の量子効果を阻害することで、意識は遮断されますが無意識の脳活動は続きます。
ペンローズ卿が自身の理論を説明している42分のビデオもご覧いただけます：
批判
脳内で量子コンピューティングが起こるという考えは、科学界の大多数からすぐに批判されました。主な問題は、量子もつれや量子波動関数の崩壊は、通常、純粋な元素、真空、または極低温（絶対零度近く）といった非常に特殊な環境でしか観測できないことです。
これらは、私たちが記事「量子コンピューティングの現状」で説明したように、現在の量子コンピュータに必要とされる条件でもあります。
有機的な脳は温度が高すぎ、複雑すぎて、量子計算を行う媒体としては不適切です。
脳における量子発見の連続
有機物の混沌とした環境で量子現象が起こり得ないという考えは、ますます挑戦されています。
私たちはすでに、鳥が北を特定し移動する磁覚が、このような量子効果に関連していると疑っています。
これらのラジカルが最終的に反応すると、結果は磁場の強さと向きに依存します。鳥はこの感覚に敏感で、北と南を区別できると考えられています。このプロセスはラジカル対の電子がもつれ合っているため、距離が離れていても単一の量子オブジェクトとして振る舞うという点で高度に量子的です。
Musser, ”Radical consciousness theory?”
最近の測定
2022年に、脳内の量子信号が「心拍誘発電位」（HEP）と相関することを示す実験が行われたようです. これは、人間の体内で量子もつれが可能であることを示すかもしれません。
(量子もつれは、2つの粒子がペアになり、信号なしで光速より速く相互に「通信」できる状態です。
最近では、2024年4月に脳に関する新たな知見が示され、以前は不可能と考えられていたニューロン内に少なくとも一部の量子効果が存在できることが明らかになりました。
より正確には、超放射（superradiance）と呼ばれる現象です。「生体構造におけるトリプトファンのメガネットワークからの紫外線超放射」というタイトルの出版物で、ニューロンのチューブリンのようにトリプトファンから構成された大規模構造が超放射を示すことが実証されています。
出典: ACS Publication
ミクロンスケールの構造から安定した量子効果が示されることは前例がなく、特に生細胞内の生体分子のように複雑で「ノイズが多い」材料にとっては画期的です。
さらに先へ進むと、一部の科学者は、有機脳の記憶が超放射を利用したホログラフィックシステムによって生成されると提案しています。
では脳は量子スーパーコンピュータなのか？
確実に言える段階にはまだ遠すぎます。しかし、チューブリンにおける超放射の発見により、量子効果がニューロンのサブ構造で機能し得ないという主要な議論は大きく弱められました。
この観察から「重力誘起の量子波動関数崩壊」による意識の結果を示すまでにはまだ大きなギャップがありますが、最新の発見はニューロンが光学信号を通じて情報を伝達できる可能性を示唆しています。
これは、ニューロンのシグナル伝達がイオンが膜を横切ってニューロンの一端から他端へ移動するという、一般的に理解されている考え方に取って代わります。
超放射はピコ秒（ミリ秒の十億分の一）という極めて短い時間で起こる現象です。これにより、化学プロセスだけで可能な速度の何億倍もの速さで信号が伝達されることになります。
応用
神経変性疾患
興味深いものの、この発見の直接的な応用がすぐに明らかになるとは限りません。
アルツハイマー病などの神経変性疾患の理解と予防に役立つ可能性があります。
アルツハイマー病は高い酸化ストレスと関連しています――体内に多数のフリーラジカルが存在し、損傷を与える高エネルギーの紫外線粒子を放出します。
トリプトファンはこの紫外線を吸収し、エネルギーの低い安全な形で再放出できます。そして、この研究が示すように、非常に大規模なトリプトファンネットワークは、強力な量子効果により、さらに効率的かつ頑健にこれを行うことができます。
これは本当に新しい理論ではなく、1989年から微小管がアルツハイマーに関与すると仮説されてきました。アルツハイマーでは、タウタンパク質が微小管から離れ、他のタウ分子に付着して糸状になり、最終的にニューロン内部で絡み合うことが知られています。
量子コンピューティング
乱雑な環境でも量子効果が存続することの実証は、これらの現象について私たちが知っているすべてに挑戦します。
これは新興分野である量子コンピューティングにとって非常に重要です。量子コンピュータの開発における主な障壁は、量子効果を維持し続け、通常の物質に崩壊させないことです。
これまでの唯一の戦略は、量子ビットを保存するために超低温の特殊環境を作ることでした。これは技術的な課題であると同時にエネルギー集約的で、計算の複雑さとコストを大幅に上昇させます。
「これらの新しい結果は、オープン量子系と量子計算の研究者コミュニティにとって関心が高いでしょう。なぜなら、本研究で使用された理論手法は、騒がしい環境における複雑な量子ネットワークを理解するために、これらの分野で広く用いられているからです」
Pr. Nicolò Defenu – Federal Institute of Technology (ETH) Zurich in Switzerland
これにより、将来の量子コンピュータ世代に向けて、より効率的で、もしかするとより安定し、エネルギー消費が少ないプロセスへの道が開かれます。
別の選択肢として、超放射を活用することが考えられます。現在、超放射は以前考えられていたよりもはるかに頑健な現象であることが実証されています。
「単一光子超放射は量子情報の保存に新たなツールを提供することが期待されており、本研究は全く新しい文脈でその効果を示しています。
今後何年も、生命システムにおける量子効果への影響を綿密に検討していくでしょう。」
したがって、将来的に計算自体がミクロンスケールの量子効果に基づく可能性があるだけでなく、記憶や情報の保存にも超放射が利用され得ます。
生体コンピュータ
最後に、もしニューロンが何らかの形で量子コンピューティングを実行できるのであれば、これにより脳オルガノイドの可能性が変わります。これらは人工的に培養された脳組織で、現在は神経変性疾患や脳全般のバイオテクノロジー研究に使用されています。
オルガノイドは生体チッププロセッサの作成に利用でき、シリコンベースのチップに比べてはるかにエネルギー効率が高くなります。AIが世界のエネルギー供給の増大する部分を占めると予測されているため、これは早期に必要となる可能性があります。
私たちは記事「オルガノイドインテリジェンスへの有意義なステップが取られている」で脳オルガノイド技術の進展を探求しました。
量子脳への投資
科学の最前線にある概念として、これらの発見には現在直接的な応用はありません。しかし、量子コンピューティングや脳オルガノイド関連企業は投資家に提供されています。
多くのブローカーを通じて量子関連企業に投資でき、securities.ioでは、米国、カナダ、オーストラリア、英国、およびその他多数の国々における最適なブローカーの推奨リストを掲載しています。
特定の量子コンピューティング企業を選びたくない場合は、Defiance Quantum ETF（QTUM）のような量子コンピューティングETFを検討できます。これにより、量子コンピューティング業界へのより分散されたエクスポージャーが得られます。また、当社の記事「ベスト5量子コンピューティング企業」もご覧ください。
量子・神経コンピューティング企業
1. Intel
INTL 価格チャート
Intelは主要なチップメーカーであり、この強みを量子コンピューティング領域に活かすことを目指しています。
同社は最近、「Tunnel Falls」――「最先端のシリコンスピン量子ビットチップ」を発表しました。注目すべきは、これは試作機ではなく、ウェハ全体で95％の歩留まりと電圧均一性を実現した量産チップである点です。これにより、現在は新興かつ急速に変化する業界で実現が難しかった量子コンピューティングチップの大量生産への道が開かれます。
出典: Intel [securities_stock_price_tag symbol="INTC" exchange="NASDAQ"]
Intelはそのルーツに忠実に、チップを活用するソフトウェアも開発しており、Intel Quantum SDKをリリースしました。これは、プログラマーがIntelの量子チップ設計に適合した量子コンピューティング用ソフトウェアを開発するためのガイドラインを提供し、従来のチップ事業にとって歴史的に非常に強力かつ収益性の高いビジネス防壁となっています。
出典: Intel
スケーラブルな量子チップ製造の到来は、他の技術的な科学的ブレークスルーと同様に業界に革命をもたらし、コスト削減や共通のプログラミング標準・チップアーキテクチャの設定につながります。
Intelは、コンピューティング業界においてこの力がどれほど強力であるかを経験から知っている企業です。1960年代以降のイノベーションと関連特許の恩恵を受け続けています。
2. BICO Group AB (BICO.ST)
脳と神経を研究する方法の一つは、脳オルガノイドを使用することです。これらの人工的に作られたミニ脳は、実験室でニューロンが潜在的治療に対してどのように反応するかを再現でき、研究者が実際の脳の治療法を見つけるのに役立ちます。
この仕組みと最新の進展については、記事「オルガノイドインテリジェンスへの有意義なステップが取られている」で詳しく論じました。
最近、ウィスコンシン大学マディソン校の研究者が、はるかに複雑な脳オルガノイドを3Dプリントしました。彼らはCellinkバイオプリンターを使用し、神経科学研究におけるこの装置の新たな可能性を開きました。
出典: Cellink
2021年に、CellinkはBICO Groupに名称変更され、2019年にCytena、2020年にScienionを買収しました。
Cellinkは依然として事業のバイオプリンティング部門のブランド名です。3Dプリンティング手法を再利用して、オンデマンドで3D組織や臓器を作成することが目的です。（このトピックについては「3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?」をご覧ください。）
バイオプリンティングは事業の約1/5thを占め、バイオサイエンス自動化部門が収益の3/5th以上を生み出しています。
出典: BICO Group AB
この分野で唯一ではありませんが、Cellinkは非常に先進的なバイオプリンティング機器メーカーです。Zhang博士のこれらの機械を用いた成果は、神経学研究における潜在的可能性を示していますが、現時点ではバイオプリンティングはほとんど利用されていません。
長期的には、バイオプリンティング企業は研究者向けツールの提供から、製薬会社の患者向けバイオプリンティング治療の供給者へと進化する可能性があります。これにより、使用されるバイオプリンターの数は大幅に変化し、より重要なのは毎月販売される消耗品の量が劇的に増加することです。
これは、PacBio（PACB）やIllumina（ILMN）のようなゲノムシーケンシング機器メーカーでも同様に起こっており、これらは消耗品の継続的な販売から収益の80％を得ています。
もし脳オルガノイド研究が計算や量子物理学研究における潜在的可能性から積極的に推進されれば、Cellink/BICOのような製造企業にとって非常に有益になるでしょう。
3. Final Spark
2014年にマーティン・カッターとフレッド・ジョーダンによってスイスで設立されたFinal Sparkは、シリコンチップよりもエネルギー消費がはるかに少ない（1億倍以上効率的な）生体チッププロセッサを提唱しています。
スタートアップは、すでに1,000万個のニューロンをテストしたと主張しています。これは、皮膚由来の生きたヒトニューロンから思考機械を構築しようとする試みです。
このスタートアップは高度な細胞培養技術を活用し、将来のAIモデル作成のために自己持続型コンピューティング能力を示しています。
Final Sparkは現在、クラウド経由でバイオコンピューティング能力へのアクセスを提供しています。そのNeuroplatformは研究機関向けに、ユーザー1人あたり月額500ドルで利用可能です。
