Computing
Is de hersenen een kwantumcomputer? Nieuwe inzichten zeggen dat het zou kunnen zijn
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
De hersenen als klok of computer?
Bewustzijn, complexe gedachten en veel aspecten van de hersenwerking zijn nog niet volledig verklaard. Door de geschiedenis heen is het menselijk denken beschreven met verschillende analogieën, meestal ontleend aan de meest geavanceerde technologie van die tijd.
Denkers vergeleken de hersenen achtereenvolgens met waterklokken, bewegende lichaamsvloeistoffen, mechanische klokken en elektrische circuits. Tegenwoordig is de computer een veelgebruikte vergelijking, met neuronen als biologische verwerkingselementen. Zulke metaforen beschrijven echter slechts een deel van de werkelijkheid.
Geen van deze vergelijkingen, ook die met een biologische computer niet, verklaart volledig hoe de hersenen werken.
De hersenen verbruiken naar schatting ongeveer 12–25 watt aan stofwisselingsenergie. Sommige AI-versnellers van Nvidia (NVDA ) hebben een elektrisch vermogen van 250–700 watt. De systemen voeren verschillende taken uit; deze getallen bewijzen op zichzelf niet welk systeem meer kan «denken».
Het is bovendien onduidelijk of meer rekenkracht alleen voldoende is om bewustzijn en abstract denken te verklaren. Grote taalmodellen hebben specifieke mogelijkheden en beperkingen die niet volledig worden beschreven door ze uitsluitend als gokmachines te beschouwen.
Daarom zijn andere hypothesen voorgesteld, waaronder de mogelijkheid dat bepaalde kwantumeffecten aan bewustzijn bijdragen. Dat is nog niet aangetoond.
Werken de hersenen kwantummechanisch?
De steun van Penrose
Onder de naam «kwantumbewustzijn» vallen hypothesen waarin processen die met bewustzijn samenhangen worden gekoppeld aan kwantumeffecten, zoals het instorten van de golffunctie.
Een golffunctie kan een superpositie van mogelijke toestanden beschrijven, terwijl een meting een bepaalde uitkomst oplevert. Interpretatieproblemen hierbij worden vaak toegelicht met de kat van Schrödinger.
Bron: Wikipedia
De natuurkundige Sir Roger Penrose verdedigt een van deze hypothesen. Hij ontving in 2020 de Nobelprijs voor Natuurkunde omdat hij aantoonde dat de vorming van zwarte gaten een robuuste voorspelling van de algemene relativiteitstheorie is.
Bron: Nobelprijs
De wetenschappelijke reputatie van Penrose vestigde aandacht op de hypothese. Zijn Nobelprijs werd echter niet toegekend voor een verklaring van bewustzijn.
Microtubuli en de hypothese van kwantumverwerking
De hypothese van Penrose en Stuart Hameroff richt zich op microtubuli, onderdelen van het celskelet. Zij stellen voor dat kwantumprocessen daarin bijdragen aan bewustzijn; dat deze structuren de noodzakelijke berekeningen uitvoeren, is niet bewezen. Een belangrijke uitwerking werd gepubliceerd in 1996.
Voorstanders verbinden de hypothese ook aan een mogelijke werking van algehele anesthesie via verstoring van kwantumeffecten in het eiwit tubuline. Deze interpretatie blijft onderwerp van onderzoek en vervangt niet automatisch andere bekende mechanismen van anesthetica.
In deze video van ongeveer 42 minuten licht Penrose zijn ideeën toe:
Kritiek
De hypothese van kwantumberekeningen in de hersenen heeft veel kritiek gekregen. Een belangrijke vraag is hoe de benodigde kwantumcoherentie lang genoeg kan blijven bestaan in een warme, complexe biologische omgeving. Veel experimenten vereisen gecontroleerde omstandigheden, zoals vacuüm of zeer lage temperaturen, maar niet alle kwantumeffecten zijn tot zulke omstandigheden beperkt.
Sommige architecturen voor kwantumcomputers vereisen dergelijke omstandigheden, zoals besproken in ons artikel «De huidige stand van kwantumcomputing ».
Volgens critici kunnen warmte en omgevingsinteracties het langdurig behouden van coherentie in de hersenen bemoeilijken. Dat betekent niet dat ieder kwantumeffect in biologisch materiaal onmogelijk is.
Kwantumeffecten in biologische systemen
Kwantumeffecten in biologische systemen worden onderzocht. Een voorbeeld is het radicalenpaarmechanisme dat mogelijk een rol speelt in het magnetische kompas van vogels.
Wanneer deze radicalen reageren, kan de uitkomst afhangen van de sterkte en richting van het magnetische veld. Volgens deze hypothese kunnen vogels dit effect voor hun oriëntatie gebruiken. De elektronen van het radicalenpaar moeten als een gezamenlijk kwantumsysteem worden beschreven, ook wanneer ze enige afstand van elkaar hebben.
Recente metingen
Een experiment uit 2022 rapporteerde MRI-signalen die samenhingen met door hartslagen opgewekte hersenpotentialen. De onderzoekers stelden een kwantuminterpretatie voor, maar dit is geen doorslaggevend bewijs van verstrengeling als verklaring voor bewustzijn.
(Kwantumverstrengeling betekent dat de gezamenlijke toestand van systemen niet volledig uit afzonderlijke toestanden kan worden beschreven. Verstrengeling maakt geen communicatie zonder signaal of sneller dan het licht mogelijk.)
In april 2024 verscheen onderzoek naar een collectief kwantumoptisch effect in moleculaire structuren die in biologische systemen voorkomen. Dat onderzoek toonde niet aan dat levende neuronen een kwantumcomputer vormen.
Het gaat om het verschijnsel superradiantie. Het onderzoek met de titel «Ultraviolette superradiantie uit grote netwerken van tryptofaan in biologische structuren» onderzocht netwerken van het aminozuur tryptofaan in onder meer tubuline en microtubuli. De resultaten ondersteunen collectief optisch gedrag dat bij superradiantie past.
Bron: ACS-publicatie
De bevindingen helpen begrijpen hoe complexe moleculaire netwerken licht absorberen en uitzenden. Ze mogen niet worden gelijkgesteld aan langdurige kwantumcoherentie waarmee een levend brein berekeningen uitvoert.
Daarnaast hebben onderzoekers hypothesen voorgesteld waarin geheugen samenhangt met holografische processen en superradiantie.
Zijn de hersenen dan een kwantumsupercomputer?
Deze resultaten zijn onvoldoende om de hersenen een kwantumsupercomputer te noemen. Een specifiek optisch effect bewijst niet dat neuronen functionele qubits of kwantumalgoritmen gebruiken.
Er blijft een grote afstand tussen deze waarnemingen en bewijs voor Penroses voorstel van een door zwaartekracht veroorzaakte instorting van de golffunctie als bron van bewustzijn. Ook is niet bewezen dat neuronen informatie via licht doorgeven zoals glasvezels dat doen.
Elektrische signalen door ionenstromen over celmembranen en chemische overdracht bij synapsen blijven gevestigde mechanismen van neuronale communicatie. Het onderzoek vervangt die verklaring niet.
Sommige stralingsprocessen verlopen op een schaal van picoseconden: een biljoenste seconde. De snelheid van een moleculair proces bewijst echter niet dat de hersenen honderden miljoenen keren sneller rekenen of informatie verwerken.
Toepassingen
Neurodegeneratieve ziekten
De directe toepassingen zijn nog onzeker. Mogelijk kan vervolgonderzoek bijdragen aan ons begrip van neurodegeneratieve ziekten, waaronder alzheimer.
Alzheimer wordt in verband gebracht met oxidatieve stress: een verstoring van het evenwicht tussen reactieve zuurstofverbindingen en beschermende mechanismen. Dat betekent niet dat iedere vrije radicaal schadelijke ultraviolette fotonen uitzendt.
Tryptofaan kan ultraviolet licht absorberen en licht met een lagere energie uitzenden. Volgens het onderzoek kan collectief gedrag van grote netwerken bepaalde optische processen efficiënter maken. Een beschermende werking tegen alzheimer is daarmee nog niet aangetoond.
Bron: The Quantum Insider
Een mogelijke relatie tussen microtubuli en alzheimer werd al eerder onderzocht; onderzoek hierover gaat terug tot 1989. Bij de ziekte kan tau loskomen van microtubuli en zich ophopen in vezels en kluwens in neuronen. Deze relatie bewijst de hypothese van kwantumbewustzijn niet.
Kwantumcomputing
Het onderzoek voegt kennis toe over collectieve effecten in complexe moleculaire omgevingen. Het zet niet alle bestaande kwantumfysica op losse schroeven.
De gebruikte methoden kunnen relevant zijn voor open kwantumsystemen en kwantumcomputing. Het beheersen van interacties met de omgeving, coherentie en fouten blijft daarbij belangrijk.
Sommige architecturen, zoals supergeleidende qubits, vereisen zeer sterke koeling. Andere benaderingen gebruiken bijvoorbeeld gevangen ionen, neutrale atomen of fotonen. Extreme koeling is dus niet de enige strategie voor iedere kwantumcomputer.
Deze resultaten zullen onderzoekers van open kwantumsystemen en kwantumcomputing interesseren, omdat de theoretische methoden uit de studie ook worden gebruikt om complexe kwantumnetwerken in omgevingen met ruis te begrijpen.
Het onderzoek kan aanknopingspunten bieden voor toekomstige technieken voor informatieverwerking of opslag. Het heeft nog geen stabielere of energiezuinigere kwantumcomputer opgeleverd.
Superradiantie van één foton biedt uitzicht op nieuwe hulpmiddelen voor de opslag van kwantuminformatie, en dit werk laat de effecten ervan in een geheel andere context zien.
De komende jaren zullen we de gevolgen voor kwantumeffecten in levende systemen nauwlettend onderzoeken.
Marlan Scully — laserpionier en theoretisch natuurkundige op het gebied van kwantumoptica
Superradiantie kan dus relevant zijn voor onderzoek naar kwantuminformatie en geheugen. Daarmee is niet bewezen dat zulke functies op deze manier in het menselijk brein plaatsvinden.
Biologische computers
Hersenorganoïden zijn gekweekte modellen van hersenweefsel voor onderzoek naar ontwikkeling en ziekten. Hun mogelijke toepassing in biologische informatieverwerking staat los van de vraag of de hypothese van kwantumbewustzijn klopt.
Onderzoekers bestuderen of levende neurale netwerken kunnen worden gebruikt voor biologische verwerkingseenheden. Een volledige energievergelijking met silicium moet ook het kweken en ondersteunen van de cellen meenemen. Omdat het energieverbruik van AI naar verwachting verder toeneemt, is onderzoek naar efficiëntere technieken relevant. Biologische processoren zijn echter nog geen algemeen beschikbare vervanging.
We bespreken de vooruitgang in dit gebied in «Betekenisvolle stappen naar organoïde intelligentie».
Investeren in onderzoek naar hersenen en kwantumtechnologie
Deze ontdekkingen hebben nog geen directe commerciële toepassing als verklaring van bewustzijn. Er zijn wel bedrijven actief in kwantumcomputing en in apparatuur voor onderzoek naar organoïden en zenuwweefsel.
Voor brokers die toegang bieden tot gerelateerde aandelen kunt u op securities.ioonze gidsen raadplegen voor de Verenigde Staten, Canada, Australië, het Verenigd Koninkrijk, en andere landen.
Wie een fonds met meerdere bedrijven wil onderzoeken, kan bijvoorbeeld kijken naar Defiance Quantum ETF (QTUM) . Dit fonds biedt blootstelling aan verschillende technologiebedrijven, maar garandeert geen rendement uit kwantumcomputing. Zie ook ons artikel «Vijf bedrijven in kwantumcomputing».
Bedrijven in kwantumcomputing en neurowetenschappelijk onderzoek
1. Intel
INTC Prijsgrafiek
Intel (INTC ) is een grote chipproducent die ook technologie voor kwantumcomputing ontwikkelt.
In juni 2023 introduceerde Intel Tunnel Falls, een onderzoekschip met twaalf siliciumspinqubits. Intel meldde een fabricageopbrengst van 95% op de wafer en een uniforme spanning. Dit is geen nauwkeurigheid van 95% voor berekeningen en evenmin bewijs van een commerciële kwantumcomputer op grote schaal.
Bron: Intel
Intel ontwikkelde daarnaast software, waaronder de Intel Quantum SDK. Hiermee kunnen onderzoekers kwantumalgoritmen ontwikkelen en simuleren. De SDK ondersteunt Intels onderzoek, maar is daarmee nog geen algemene industriestandaard.
Bron: Intel
Schaalbare chipfabricage kan helpen de kosten te verlagen. Ze lost niet automatisch andere uitdagingen op, zoals foutcorrectie en het besturen van grote aantallen qubits.
Intel heeft veel ervaring met halfgeleiderproductie, maar eerdere successen en patenten garanderen geen leidende positie in kwantumcomputing.
2. BICO Group AB (BICO.ST)
Hersenorganoïden en gekweekte neurale modellen maken het mogelijk reacties van cellen op behandelingen te onderzoeken. Het zijn beperkte modellen, geen volledige menselijke hersenen.
De werkwijze en ontwikkelingen bespreken we in «Betekenisvolle stappen naar organoïde intelligentie».
In een in 2024 gepubliceerd onderzoek printten onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin–Madison functioneel menselijk hersenweefsel in 3D. Ze gebruikten daarvoor een bioprinter van Cellink . Dit toont mogelijkheden voor neurowetenschappelijk onderzoek, maar is niet hetzelfde als het printen van volledige hersenen of complexere hersenorganoïden.
Bron: Cellink
In 2021 veranderde de groep Cellink haar naam in BICO, na de overname van Cytena in 2019 en Scienion in 2020.
Cellink bleef de merknaam voor de bioprintactiviteiten. Daarbij worden printtechnieken gebruikt om driedimensionale weefselmodellen op te bouwen. (Meer hierover leest u in «Menselijke organen 3D-printen: hoe realistisch is dat?»).
Bioprinting vertegenwoordigde ongeveer een vijfde van de omzet in de financiële periode waarop het artikel zich baseerde, terwijl het segment automatisering voor biowetenschappen meer dan drie vijfde van de omzet leverde. Deze historische verhoudingen zijn geen vaste beschrijving van de huidige groep.
Bron: BICO Group AB
Het werk van het team van prof. Zhang illustreert mogelijkheden van deze apparatuur voor neurowetenschappelijk onderzoek. Er zijn ook andere leveranciers; één onderzoeksresultaat bewijst geen gegarandeerd commercieel voordeel.
Op langere termijn kunnen bioprintbedrijven naast onderzoekshulpmiddelen ook bijdragen aan de ontwikkeling van behandelingen met farmaceutische bedrijven. Dit kan de vraag naar apparatuur en verbruiksmaterialen veranderen, maar blijft afhankelijk van verdere ontwikkeling.
Ook fabrikanten van andere laboratoriumapparatuur halen terugkerende inkomsten uit verbruiksmaterialen, bijvoorbeeld de leveranciers van genoomsequencers PacBio (PACB) en Illumina (ILMN). De omzetverhoudingen verschillen per bedrijf en periode; een aandeel van 80% kan niet zonder specifieke gegevens op beide bedrijven worden toegepast.
Groei van organoïdenonderzoek kan de vraag naar apparatuur van Cellink/BICO ondersteunen. De commerciële gevolgen hangen af van de onderzoeksbehoefte en wetenschappelijke vooruitgang.
3. FinalSpark
FinalSpark werd in 2014 opgericht door Martin Kutter en Fred Jordan en is gevestigd in Zwitserland. Het bedrijf onderzoekt biologische processoren en noemt een potentieel energievoordeel tot een miljard keer tegenover silicium in bepaalde vergelijkingen. Dit is geen onafhankelijk bewezen prestatie van een complete commerciële computer.
Volgens het bedrijf zijn al tien miljoen neuronen getest in onderzoek naar levende neurale netwerken. De cellen kunnen worden verkregen uit geïnduceerde pluripotente stamcellen, afkomstig van geherprogrammeerde huidcellen. Dit bewijst niet dat het systeem als een mens denkt.
Het bedrijf gebruikt geavanceerde celkweektechnieken voor onderzoek naar biologische informatieverwerking en mogelijke toekomstige toepassingen van AI . De levende cellen blijven afhankelijk van laboratoriumondersteuning.
In het aanbod dat dit artikel in 2024 beschreef, bood FinalSpark onderzoeksinstellingen toegang tot zijn Neuroplatform via de cloud voor US$500 per gebruiker per maand.
