Datorer
Är hjärnan en kvantdator? Nya insikter säger att den kan vara det
Hjärnan som en klocka eller en dator?
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 genom olika analogier, vanligtvis med den mest avancerade teknologin för sin tid.
De antika grekerna såg den som en vattenklocka. Senare tänkare trodde att den drevs av kroppsvätskornas rörelse, sedan en mekanisk klocka, sedan en elektrisk krets. Idag ser vi den som en mycket kraftfull dator som drivs av elektriska signaler, där varje neuron är en slags biologisk transistor.
I praktiken förklarar ingen av dessa teorier, inklusive den “biologiska datorn”, fullt ut hur hjärnan fungerar.
Till exempel fungerar hjärnans beräkningskapacitet på endast 12–25 watt elektrisk kraft, knappt nog för att driva en LED-lampa. Till jämförelse förbrukar bara ett AI-chip från Nvidia 250–700 W för en mycket lägre “tänknings”kapacitet.
Det är också oklart om “mer beräkningskraft” faktiskt är svaret på att generera komplexa tankar och abstrakt resonemang för att gå bortom enbart gissningar som stora språkmodeller (LLM) för närvarande gör.
Det är därför andra teorier har föreslagits, särskilt att kvanteffekter är ansvariga för medvetandets uppkomst.
Är hjärnan kvant?
Penroses stöd
Det finns en teori som kallas “kvantmedvetande”, vilken stipulerar att hjärnans funktioner och medvetande härrör från kvanteffekter såsom kollapsen av den kvanta vågfunktionen.
Detta är en märklig del av kvantfysiken, där partiklar går från ett tillstånd med samtidiga egenskaper till ett mer “normalt” tillstånd där de har en definierad egenskap. Det har särskilt populariserats av konceptet Schrödingers katt.
Källa: Wikipedia
Kvantmedvetandeteorin har förespråkats av Sir Roger Penrose, en berömd fysiker som vann Nobelpriset i fysik 2020 för sitt arbete inom astrofysik och den matematiska modelleringen av svarta hål.
Källa: Nobel Prize
Även om han ligger utanför sitt omedelbara expertområde, gav Penroses rykte som ett världsklassgeni viss uppmärksamhet åt denna idé.
Mikrotubulberäkningar
Penroses teori fokuserar på strukturer i neuroner som kallas mikrotubuli, vilka bildar cellernas “skelett”. Dessa strukturer är avgörande för att utföra beräkningar som i slutändan ger upphov till medvetande. Idén publicerades först 1996.
Denna teori skulle också förklara hur allmän anestesi fungerar, en fråga som fortfarande är öppen trots nästan ett sekel av användning. Den skulle fungera genom att försämra kvanteffekten i tubulinet, vilket blockerar medvetandet men inte den omedvetna hjärnaktiviteten.
Du kan också se Sir Penrose förklara sin teori själv i den här 42‑minutersvideon:
Kritik
Idén om kvantberäkning i hjärnan har omedelbart kritiserats av en stor del av den vetenskapliga gemenskapen. Huvudproblemet är att kvantintrassling och kollaps av den kvanta vågfunktionen endast kan observeras i mycket speciella miljöer, vanligtvis med rena element, vakuum och/eller mycket låga temperaturer, ofta bara några grader över den absoluta nollpunkten.
Detta är också den typ av förhållanden som för närvarande krävs för kvantdatorer, som vi beskrev i vår artikel om ämnet: “The Current State of Quantum Computing”.
En organisk hjärna skulle vara för varm och för komplex som medium för att genomföra någon kvantberäkning.
En rad kvantupptäckter i hjärnan
Idén att ingen kvantfenomen skulle kunna ske i den röriga kontexten av organiskt material utmanas alltmer.
Vi misstänker redan att fåglarnas magnetiska sinne, som gör att de kan lokalisera norr och migrera, är kopplat till en sådan kvanteffekt.
När dessa radikaler så småningom reagerar, kommer resultatet att bero på styrkan och orienteringen av det magnetiska fältet. Tanken är att fågeln är känslig för detta på ett sätt som gör att den kan skilja norr från söder. Processen är starkt kvantisk eftersom radikalparens elektroner är intrasslade, vilket betyder att de agerar som ett enda kvantobjekt, även om de är på ett visst avstånd från varandra.
Musser, ”Radical consciousness theory?”
Senaste mätningarna
År 2022 verkar ett experiment ha visat att kvantiska signaler i hjärnan korrelerar med “hjärtslagsskapade potentialer” (HEP). Detta skulle kunna visa att kvantintrassling är möjlig i en mänsklig kropp.
(Quantum entanglement är när 2 partiklar paras ihop och kan “kommunicera” med varandra, även utan en signal och snabbare än ljusets hastighet).
Mer nyligen, i april 2024, visade en ny insikt i hjärnan att åtminstone vissa kvanteffekter kan existera i neuroner, där de tidigare ansågs omöjliga.
Mer exakt är det ett fenomen som kallas superradiance. I en publikation med titeln “Ultraviolet Superradiance from Mega-Networks of Tryptophan in Biological Architectures” visar de att stora strukturer byggda av aminosyran tryptofan, såsom neuronernas tubulin, kan uppvisa superradiance.
Källa: ACS Publication
En sådan visning av stabila kvanteffekter från mikronskala strukturer är utan motstycke, särskilt för material som är så komplexa och “brusiga” som biologiska molekyler i levande celler.
Kanske ännu längre, föreslår vissa forskare att minnen i organiska hjärnor skapas genom ett holografiskt system som använder superradiance.
Är hjärnan en kvantsuperdator?
Det är långt för tidigt att säga med säkerhet. Dock har upptäckten av superradiance i tubulin kraftigt försvagat huvudargumentet att kvanteffekter inte kan fungera i neuronernas substrukturer.
Det finns fortfarande ett betydande gap mellan denna observation och att demonstrera att medvetandet är resultatet av ”gravitationinducerad kollaps av den kvanta vågfunktionen”, enligt Penroses teori. Icke desto mindre antyder den senaste upptäckten att neuroner kan överföra information genom optiska signaler, likt optiska fibrer.
Detta skulle ersätta den mer allmänt förstådda idén att neuronell signalering involverar joner som rör sig över membraner från neuronens ena ände till den andra.
Superradiance är ett extremt snabbt fenomen som sker i intervallet picosekunder (en miljarddel av en millisekund). Detta skulle göra varje signal som överförs genom denna effekt hundratals miljoner gånger snabbare än vad enbart kemiska processer tillåter.
Tillämpningar
Neurodegenerativa sjukdomar
Även om det är fascinerande, är det kanske inte uppenbart vad den direkta tillämpningen av en sådan upptäckt är.
En möjlig tillämpning är att hjälpa till att förstå och förebygga neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers.
Alzheimers har associerats med höga nivåer av oxidativ stress—när kroppen bär på ett stort antal fria radikaler, som kan avge skadliga, högenergetiska UV‑ljuspartiklar.
Tryptofan kan absorbera detta ultravioletta ljus och återutsända det med lägre, säkrare energi. Och, som denna studie fann, kan mycket stora tryptofan‑nätverk göra detta ännu mer effektivt och robust på grund av deras kraftfulla kvanteffekter.
Källa: The Quantum Insider
Detta är egentligen inte en ny teori, med mikrotubuli som hypotesiserats vara inblandade i Alzheimers sedan 1989. Det är känt att tau‑protein lossnar från mikrotubuli och fäster vid andra tau‑molekyler i sjukdomen, vilket bildar trådar som så småningom förenas till trassel inuti neuroner.
Kvantberäkning
Demonstrationen av en kvanteffekt som överlever i en rörig miljö utmanar allt vi trodde att vi visste om dessa fenomen.
Det kan vara av stor betydelse för det framväxande området kvantdatorer. Huvudhindret för att utveckla kvantdatorer är att hålla kvanteffekten vid liv istället för att den kollapsar till “normalt” materia.
Fram till nu har den enda strategin varit att skapa en ultrakall speciell miljö för att lagra qubiten. Detta är både en teknisk utmaning och mycket energikrävande, vilket ökar komplexiteten och priset för en sådan typ av beräkning.
“Dessa nya resultat kommer att vara av intresse för den stora forskarsamhället inom öppna kvantsystem och kvantberäkning eftersom de teoretiska metoder som används i denna studie är allmänt tillämpade i dessa fält för att förstå komplexa kvantnätverk i brusiga miljöer”
Pr. Nicolò Defenu – Federal Institute of Technology (ETH) Zurich in Switzerland
Detta öppnar vägen för mer effektiva och kanske mer stabila samt mindre energikrävande processer för framtida generationer av kvantdatorer.
Ett annat alternativ kan vara att utnyttja superradiance, som nu har visat sig vara ett mycket mer robust fenomen än tidigare antaget.
“Enkelfoton‑superradiance lovar att ge nya verktyg för lagring av kvantinformation, och detta arbete visar dess effekter i ett helt nytt och annorlunda sammanhang.
Vi kommer definitivt att noggrant undersöka implikationerna för kvanteffekter i levande system under kommande år.
Så, inte bara kan själva beräkningarna en dag baseras på mikronskala kvanteffekter, utan minne/informationslagring kan också utnyttja superradiance.
Biologiska datorer
Slutligen, om neuroner faktiskt kan utföra någon form av kvantberäkning, kan detta förändra potentialen för cerebrala organoider. Dessa är artificiellt odlade hjärnvävnader som för närvarande används för bioteknikforskning om neurodegenerativa sjukdomar och hjärnan i allmänhet.
Organoider kan användas för att skapa biologiska chipprocessorer, vilket skulle vara mycket mer energieffektivt än kiselbaserade chip. Med AI förutspått att förbruka en ökande del av vår globala energiförsörjning, kan detta bli nödvändigt tidigare snarare än senare.
Vi utforskade framstegen inom cerebrala organoidteknologin i vår artikel “Meaningful Steps Toward Organoid Intelligence Being Taken”.
Investering i kvanthjärnan
Som en idé i vetenskapens yttersta gräns finns det för närvarande ingen direkt tillämpning av dessa upptäckter. Dock finns kvantdator- och cerebrala organoidrelaterade företag tillgängliga för investerare.
Du kan investera i kvantrelaterade företag via många mäklare, och du kan här, på securities.io, hitta våra rekommendationer för de bästa mäklarna i USA, Kanada, Australien, Storbritannien, såväl som många andra länder.
Om du inte är intresserad av att välja specifika kvantdatorföretag, kan du också titta på kvantdator-ETF:er som Defiance Quantum ETF (QTUM) som ger en mer diversifierad exponering för att kapitalisera på kvantdatorindustrin. Eller så kan du läsa vår artikel om “5 Best Quantum Computing Companies”.
Företag inom kvant- och neuraldatorer
1. Intel
(INTL )
Intel är en stor chipproducent och verkar vilja utnyttja denna styrka inom kvantdatorområdet.
Det släppte nyligen “Tunnel Falls”, den “ mest avancerade kiselspinn‑qubit‑chipen”. Det anmärkningsvärda är att det inte är ett prototyp utan ett chip som byggts i skala, med en avkastningsgrad på 95 % över hela kakan och spänningsuniformitet. Detta öppnar vägen för massproduktion av kvantdatorchip, något som för närvarande är svårt att uppnå i en ung och snabbt föränderlig industri.
Källa: Intel
Trofast sina rötter utvecklar Intel också mjukvara för att utnyttja sina chip, med lanseringen av Intel Quantum SDK. Detta ger riktlinjer för programmerare att utveckla mjukvara för kvantdatorer som är kompatibel med Intels kvantchipdesign, vilket historiskt har varit ett mycket starkt och lönsamt affärsskydd för Intels konventionella chipverksamhet.
Källa: Intel
Ankomsten av skalbar tillverkning av kvantchip kan vara lika revolutionerande för industrin som någon annan mer teknisk vetenskaplig genombrott, sänka kostnader och etablera gemensamma programmeringsstandarder och chiparkitekturer.
Intel är ett företag som av erfarenhet vet hur stark en sådan kraft kan vara i databranschen. Det fortsätter att dra nytta av sina innovationer och tillhörande patent från 1960‑talen och framåt.
2. BICO Group AB (BICO.ST)
Ett sätt att studera hjärnan och nerver är att använda cerebrala organoider. Dessa artificiellt skapade mini‑hjärnor kan användas för att i ett laboratorium reproducera neuronernas reaktion på potentiella terapier, vilket hjälper forskare att hitta behandling för den fullständiga riktiga hjärnan.
Vi diskuterade mer i detalj hur det fungerar och de senaste utvecklingarna inom området i “Meaningful Steps Toward Organoid Intelligence Being Taken”.
Nyligen har mycket mer komplexa cerebrala organoider 3D‑skrivits av forskare vid University of Wisconsin–Madison. De gjorde det med en Cellink‑bioprinter, vilket öppnar nya möjligheter för denna maskin inom neurovetenskaplig forskning.
Källa: Cellink
År 2021 bytte Cellink namn till BICO Group, efter förvärvet av Cytena 2019 och Scienion 2020.
Cellink är fortfarande varumärkesnamnet för bioprintningsdelen av verksamheten. Idén är att återanvända 3D‑skrivningsmetoder för att skapa efterfrågade 3D‑vävnader eller organ. (Du kan läsa en diskussion om detta ämne i “3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?”).
Bioprinting utgör cirka 1/5th av verksamheten, med bioscience‑automationssegmentet som står för mer än 3/5th av intäkterna.
Källa: BICO Group AB
Även om de inte är ensamma inom området är Cellink tydligt en mycket avancerad tillverkare av bioprintningsutrustning. Pr Zhangs prestation med dessa maskiner visar deras potential inom neurologiforskning, ett område som för närvarande inte använder bioprintning i någon större utsträckning.
På lång sikt kommer bioprintningsföretag sannolikt att utvecklas från att leverera verktyg till forskare till att bli leverantörer av läkemedelsföretagens bioprintningsterapier för patienter. Detta kommer i sin tur att fullständigt förändra antalet bioprinter som används och, ännu viktigare, volymen av förbrukningsmaterial som säljs varje månad.
Detta är samma process som inträffade för andra biolabutrustningstillverkare, inklusive genomsekvenseringsmaskiner från PacBio (PACB) och Illumina (ILMN), som i slutändan får 80 % av sina intäkter från återkommande försäljning av förbrukningsmaterial.
Om forskning på cerebrala organoider får en aggressiv drivkraft på grund av dess potential inom beräkning och kvantfysikforskning, kan det vara mycket fördelaktigt för företag som är involverade i deras produktion, som Cellink/BICO.
3. Final Spark
Grundat av Martin Kutter och Fred Jordan 2014 och baserat i Schweiz, förespråkar Final Spark biologiska chipprocessorer som förbrukar mycket mindre energi (1 miljard gånger mer effektiva än kiselchip).
Som startupen påstår, har den redan testat 10 miljoner neuroner i sitt försök att bygga tänkande maskiner från levande mänskliga neuroner härledda från hud.
Startupen utnyttjar sofistikerade cellodlingstekniker för att visa förmågan till självförsörjande beräkning för skapandet av framtida AI‑modeller.
Final Spark erbjuder nu tillgång till sin bioberäkningskapacitet via molnet. Dess Neuroplatform är tillgänglig för forskningsinstitutioner till en månadskostnad på $500 per användare.
