Квантовые компьютеры используют квантовые процессоры, которые используют элементарные частицы, такие как нейтроны, электроны и/или атомы, вместо интегральных схем и транзисторов, как классические процессоры. Два из самых «безумных и волшебных» свойств, которыми обладают эти частицы, включают следующее:
• Во-первых, они как-то непрерывно «связаны» с другими частицами, которые запутываются с ней после некоторого взаимодействия. Например, когда спин одной частицы измеряется в «верхнем» состоянии, другая частица, даже если она находится очень далеко, мгновенно (то есть быстрее скорости света) окажется в противоположном «нижнем» состоянии. Таким образом, большие скопления запутанных частиц (если они существовали в мозгу) могли бы вести себя «организованно» или скоординировано на больших расстояниях.
Авторский научно-популярный проект https://inznan.ru предложит вам простое и интересное изложение научных проблем.
• Во-вторых, они существуют в суперпозиции состояний до любого измерения. Например, электрон может находиться на двух разных энергетических уровнях или одновременно вращаться вверх и вниз. Однако при измерении они будут находиться на определенном уровне энергии или направлении вращения — мы говорим, что они «схлопнулись» до определенного состояния. При использовании классических процессоров мы присваиваем биту определенную «1» или «0». В квантовом процессоре мы могли бы присвоить «1» состоянию вращения вниз, а «0» — состоянию вращения вверх, скажем, электрона. Однако, пока мы не измерим состояние, оно будет одновременно «1» и «0» — подобно тому, как крутящаяся монета не является ни «орлом», ни «решкой», когда она вращается. Следовательно, один квантовый бит или «кубит» может представлять «1» И «0». в то же время, в отличие от «бита» классического процессора, который может представлять только «1» ИЛИ «0» в определенный момент времени. Бит двоичный и точечный, а кубит «пространственный» и «нечеткий»; это позволяет параллельно обрабатывать гораздо больше информации, используя свойство суперпозиций. «Бит» представляет либо 1, либо 0 в определенный момент времени, тогда как «кубит» может представлять и то, и другое одновременно.
Различным физическим атрибутам элементарных частиц можно присвоить «1» и «0». Например, мы можем использовать состояния ядра атома со спином вверх или вниз, различные энергетические уровни электронов в атоме или даже ориентацию плоскости поляризации световых частиц или фотонов.
Квантовые вычисления с использованием атомов фосфора
В 2013 году исследовательская группа под руководством австралийских инженеров из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) создала первый работающий квантовый бит, основанный на вращении ядра одиночного атома фосфора внутри защитного слоя немагнитных атомов кремния с нулевой вращаться. В новаторской статье в журнале Nature они сообщили о рекордно высокой точности записи и чтения квантовой информации с использованием ядерного спина.
Поскольку ядро атома фосфора имеет очень слабое магнитное поле и обладает наименьшим спиновым числом ½ (что означает, что оно менее чувствительно к электрическим и магнитным полям), оно почти невосприимчиво к магнитному шуму или электрическим помехам из окружающей среды. Кроме того, он «защищен» от шума окружающим слоем атомов кремния с нулевым спином. Следовательно, ядерный спин имеет более длительное время когерентности, что позволяет хранить информацию в нем в течение более длительного времени, что приводит к гораздо более высокому уровню точности.
«Ядро атома фосфора содержит ядерный спин, который может выступать в качестве отличного кубита для хранения памяти благодаря его очень слабой чувствительности к шуму, присутствующему в окружающей среде».
В 2014 году другая команда (на этот раз голландско-американская коллаборация) использовала ядерные спины атомов фосфора в квантовых вычислениях, чтобы достичь еще большей точности 99,99% и более длительного времени когерентности, превышающего 35 секунд.
Квантовые компьютеры в наших головах?
Итак, какое отношение все это имеет к нашему мозгу? В квантовой биологии есть множество примеров, когда предполагается квантовая обработка; например, есть доказательства того, что птицы используют квантовые процессы в своей сетчатке для навигации по земному шару и что фотосинтез протекает более эффективно, достигая долгоживущих когерентных квантовых состояний. Также было замечено, что человеческое обоняние и некоторые аспекты человеческого зрения потребуют квантовой обработки. Поэтому неудивительно, что мы должны искать квантовую обработку в человеческом мозгу.
Одна из первых популярных гипотез была предложена выдающимся физиком Роджером Пенроузом и анестезиологом Стюартом Хаммероффом. Они предположили, что квантовая обработка может происходить в микротрубочках нейронов.6 Однако большинство ученых были настроены скептически, поскольку мозг считался теплой, влажной и шумной средой, в которой квантовая когерентность, которая обычно возникает в крайне изолированных средах и при низких температурах, не могла бы существовать. быть невозможно достичь. Ни Пенроуз, ни Хаммерофф не дали удовлетворительного ответа на эту критику своей теории. Однако в последнее время были достигнуты прорывы в увеличении времени когерентности, и исследовательские группы по всему миру спешат увеличить время когерентности при комнатных температурах с некоторым успехом.7,8 Итак, теория Пенроуза-Хаммероффа все еще не принята.