Af hverju ætti þér að vera sama um skammtafræðina

Ef þú hefur ekki heyrt, þá eru skammtafræðin hvít heit núna, með spenntu tali um ólýsanlega öflugar skammtatölvur, ofurskilvirka skammtasamskipti og ógegndar netöryggi með skammtadulkóðun.

Hvers vegna allt efnið?

Einfaldlega sagt, skammtafræði lofa risastökkum í stað barnastiganna sem við höfum vanist í gegnum dagleg vísindi. Hversdagsleg vísindi gefa okkur til dæmis nýjar tölvur sem tvöfalda krafta á 2-3 ára fresti en skammtafræði lofa tölvum með mörgum trilljón sinnum meiri kraft en vöðvastæltasta tölva sem völ er á í dag.

Með öðrum orðum skammtafræði, ef vel tekst til, mun framleiða skjálftabreytingu í tækni sem mun endurmóta heiminn eins og við þekkjum hann, á enn djúpstæðari hátt en internetið eða snjallsímar gerðu.

Stórkostlegir möguleikar skammtafræðinnar stafa allir af einum einföldum sannleika: skammtafyrirbæri brjóta algjörlega reglurnar sem takmarka það sem „klassísk“ (eðlileg) fyrirbæri geta áorkað.

Tvö dæmi þar sem skammtafræði gerir það sem áður var ómögulegt skyndilega mögulegt, eru skammtafletning og skammtaflóð.

Við skulum taka á skammtafræðinni fyrst.

Í venjulegum heimi getur hlutur eins og hafnabolti aðeins verið á einum stað í einu. En í skammtafræðilegum heimi getur ögn eins og rafeind hertekið óendanlega marga staði á sama tíma, til í því sem eðlisfræðingar kalla ofurstöðu margra ríkja. Svo í skammtafræðilegum heimi, hegðar sér eitt stundum eins og margir mismunandi hlutir.

Nú skulum við skoða skammtaflækjur með því að lengja hafnaboltalíkinguna aðeins lengra. Í venjulegum heimi eru tveir hafnaboltar sem sitja í dökkum skápum á stórleikvangunum í Los Angeles og Boston algerlega óháðir hvor öðrum, þannig að ef þú opnar einn af geymsluskápunum til að skoða einn hafnabolta, þá myndi nákvæmlega ekkert gerast hjá hinum hafnaboltanum í dökkum geymsluskáp í 3.000 mílna fjarlægð. En í skammtafræðilegum heimi eru tvær einstakar agnir, svo sem ljóseindir dós flækjast, þannig að einvörðungu að skynja eina ljóseind ​​með skynjara neyðir samstundis hinn ljóseind, sama hversu langt í burtu, til að taka á sig ákveðið ástand.

Slík flæking þýðir að í skammtafræðilegum alheimi geta margar aðskildar aðilar stundum hagað sér sem ein heild, sama hversu langt aðgreindir aðilar eru.

Þetta væri jafngildi þess að breyta stöðu eins hafnabolta - segjum, neyða það til að vera á efstu móti neðri hillu geymsluskápsins - einfaldlega með því að opna geymsluskáp í 3.000 mílna fjarlægð og horfa á öðruvísi hafnabolti.

Þessi „ómögulega“ hegðun gerir skammtafræðilög tilvalin til að gera hið ómögulega með til dæmis tölvum. Í venjulegum tölvum er geymdur hluti upplýsinga annaðhvort núll eða einn, en í skammtatölvu er geymd bit, kallaður Qubit (skammtabiti), bæði núll og einn á sama tíma. Þannig að þar sem einföld minni geymsla með 8 bitum getur innihaldið hvaða einstaka tölu sem er frá 0 til 255 (2 ^ 8 = 256) getur minni 8 Qubits geymt 2 ^ 8 = 256 aðskildar tölur allt í einu! Hæfileikinn til að geyma veldislega meiri upplýsingar er ástæðan fyrir því að skammtatölvur lofa skammtastigi í vinnslugetu.

Í dæminu hér að ofan geymir 8 bita minni í skammtatölvu 256 tölur á milli 0 og 255 í einu en 8 bita minni í venjulegri tölvu geymir aðeins 1 tölu á milli 0 og 255 í einu. Ímyndaðu þér nú 24 bita skammtaminni (2 ^ 24 = 16,777,216) með aðeins 3 sinnum fleiri Qubits en fyrsta minni okkar: það gæti geymt heilmikið 16.777.216 mismunandi tölur í einu!

Sem leiðir okkur að gatnamótum skammtafræðinnar og taugalíffræðinnar. Mannheilinn er miklu öflugri örgjörvi en nokkur tölva sem er fáanleg í dag: nær hann einhverjum af þessum ógnvekjandi krafti með því að nýta skammtafræðni á sama hátt og skammtatölvur gera?

Allt þar til nýlega hefur svar eðlisfræðinga við þeirri spurningu verið hljómandi „nei“.

Skammtafyrirbæri eins og yfirlagning reiða sig á að einangra þessi fyrirbæri frá umhverfinu umhverfis, sérstaklega hita í umhverfinu sem setur agnir í gang, raskar ofurviðkvæmu skammtahúsi yfirborðskorta og neyðir tiltekna ögn til að hernema annað hvort punkt A eða lið B , en aldrei báðir á sama tíma.

Þannig að þegar vísindamenn rannsaka skammtafyrirbæri fara þeir langt í að einangra efnið sem þeir eru að rannsaka frá umhverfinu umhverfis, venjulega með því að lækka hitastigið í tilraunum sínum í næstum algeru núlli.

En vísbendingar eru að aukast frá heimi lífeðlisfræðinnar um að sumir líffræðilegir ferlar sem reiða sig á skammtafletingu eiga sér stað við venjulegt hitastig, sem vekur möguleika á að ólýsanlega undarlegur heimur skammtafræðinnar geti örugglega brotist inn í dagleg vinnubrögð annarra líffræðilegra kerfa, svo sem okkar taugakerfi.

Til dæmis, í maí 2018, fann rannsóknarteymi við Háskólann í Groningen sem innihélt eðlisfræðinginn Thomas la Cour Jansen vísbendingar um að plöntur og sumar ljóstillífandi bakteríur nái næstum 100% skilvirkni og umbreytir sólarljósi í nothæfa orku með því að nýta þá staðreynd að frásog sólarorku veldur nokkrum rafeindum í sameindir ljóss til að vera samtímis til í bæði æstum og óspenntum skammtastöðum sem dreifast yfir tiltölulega langar vegalengdir inni í plöntunni og gera ljósum spennandi rafeindum kleift að finna hagkvæmustu leiðina frá sameindunum þar sem ljós er fangað til mismunandi sameinda þar sem nýtanleg orka því að álverið er búið til.

Þróun, í linnulausri leit sinni að því að búa til orkunýtnustu lífsform, virðist hafa hunsað trú eðlisfræðinga um að gagnleg skammtaáhrif geti ekki gerst í hlýju og blautu umhverfi líffræðinnar.

Uppgötvun skammtafræðilegra áhrifa í plöntulíffræði hefur gefið tilefni til alveg nýtt vísindasvið sem kallast skammtafræði. Undanfarin ár hafa skammtafræðilíffræðingar uppgötvað vísbendingar um skammtafræðilega eiginleika í segulsviðsskynjun í augum sumra fugla (sem gera fuglunum kleift að sigla við búferlaflutninga) og til að virkja lyktarviðtaka í mönnum. Vísindamenn hafa einnig komist að því að ljósviðtakar í sjónhimnu manna geta myndað rafmerki frá því að taka eitt magn af ljósorku.

Gerði þróunin einnig heila okkar ofvirka til að búa til nothæfa orku eða miðla og geyma upplýsingar meðal taugafrumna með því að nota skammtaáhrif eins og yfirlagningu og flækju?

Taugavísindamenn eru alveg í byrjun að kanna þennan möguleika, en ég er í fyrsta lagi spenntur fyrir nývaxnu sviði skammtafræðinnar vegna þess að það gæti leitt til kjálkabrota í skilningi okkar á heilanum.

Ég segi þetta vegna þess að vísindasagan kennir okkur að stærstu byltingin kemur næstum alltaf frá hugmyndum sem, áður en tiltekin bylting kemur, hljóma ótrúlega skrýtið. Uppgötvun Einsteins um að rými og tími séu í raun sami hluturinn (almenn afstæðiskenning) er eitt dæmi, uppgötvun Darwins um að menn hafi þróast frá frumstæðari lífsformum, er önnur. Og auðvitað er uppgötvun Planck, Einstein og Bohr á skammtafræði fyrst og fremst, önnur.

Allt felur þetta mjög í sér að hugmyndirnar á bak við leikinn á morgun sem breytir framförum í taugavísindum, í dag, virðast flestir vera mjög ótrúlegar og ósennilegar.

Nú, bara vegna þess að skammtafræðilíffræði í heilanum hljómar skrýtið og ósennilegt, hæfir það ekki sjálfkrafa til að vera uppspretta næsta risastigs í taugavísindum. En ég hef það á tilfinningunni að dýpri skilningur á skammtaáhrifum í lifandi kerfum skili mikilvægri nýrri innsýn í heila okkar og taugakerfi, ef ekki af öðrum ástæðum, að það að taka skammtasjónarmið muni valda því að taugavísindamenn leita að svörum á undarlegan og yndislegir staðir sem þeir íhuguðu aldrei að rannsaka áður.

Og þegar rannsakendur skoða þessi undarlegu og dásamlegu fyrirbæri, gætu þessi fyrirbæri, eins og flækjandi frændur þeirra í agnafræðinni, litið til baka á þau!