人間の脳における量子コンピューティングの探求

• 私たちの体内のリン原子は、生化学量子ビットとして機能する必要な核スピンを持っています。
• 科学者たちは、神経量子ビットの役割を果たしている可能性がある、球形のポズナー分子のナノクラスターの核スピンやその他のダイナミクスを研究しています。

カリフォルニア大学サンタバーバラ校が率いる国際研究チームは、量子計算における人間の脳の可能性を研究する予定です。 UCSB の理論物理学者であるマシュー フィッシャー氏によると、私たちが自分の脳内で量子処理を実行している可能性があるそうです。

人間の脳における量子コンピューティングの概念は、まったく新しいものではありません。科学者たちはこれについてしばらく研究してきました。フィッシャーは、私たちの脳内で量子コンピューティングを利用できるユニークな生物学的鍵セットという、驚くべきものを思いつきました。

これまでのところ、量子コンピューティングについては、原子やイオンの凍結、ダイヤモンドの欠陥、超伝導接合に基づいたものしか聞いたことがないでしょう。ただし、この研究 (量子脳プロジェクト) では、「私たちは量子コンピューターなのか?」などの奇妙な質問に答えることができる実験データを探します。

このプロジェクトには 3 年間で総額 120 万ドルが付与されました。この研究は、私たちの脳の仕組みをより深く理解するのに役立ち、新しい精神治療手順につながる可能性があります。

私たちの脳が量子コンピューティングを実行するかどうかに関係なく、この研究は溶液化学、量子もつれ、生化学触媒、生体材料、人間の気分障害の分野に大きな進歩をもたらすでしょう。

量子コンピューティング

上で述べたように、量子コンピューティングは、重ね合わせられる原子とイオンの挙動のみに依存します。このような粒子は、ビットを表すのではなく、値 1、0、またはその両方を同時に取ることができる量子ビットを表します。

従来のコンピューティングにおけるデジタル ビットと同様に、一連の量子ビットは、情報をエンコード、保存、送信するためのネットワークを作成できます。量子コンピューターでは、量子ビットは非常に低温で、高度に隔離され制御された環境で作成および維持されます。

一方で、人間の脳の温度は暖かく、原子や分子の熱運動のため、量子効果を示すのに最適な環境ではないことは確かです。

人間の脳における量子処理

フィッシャーによれば、核スピン (近くの電子ではなく原子の中心) は何か異常なもの、つまりこれまで研究されていないものを提供します。

核スピンは十分に分離されており、量子データを数時間 (あるいはそれ以上) 保存できます。リン原子 (私たちの体の要素の 1%) は、生化学量子ビットとして機能する必要な核スピンを持っています。 .

画像クレジット:Peter Allen / カリフォルニア大学サンタバーバラ校

現在、研究チームはリンの量子特性を監視しています。具体的には、リン原子が結合して分子を形成する際の、リン原子の 2 つの核スピン間の絡み合いを調べています。

出典:RSC出版 |土井：10.1039/C7CP07720C | カリフォルニア大学サンタバーバラ校

一方、ニューヨーク大学の研究チームは、球形のナノクラスターであるポズナー分子の核スピンやその他のダイナミクスを研究している。このプロジェクトでは、これらの分子が生化学量子ビットの核スピンを保護するのに十分な能力があるかどうかを解明しようとします。さらに、非局所量子データ処理を可能にするポズナー分子の解離とペア結合にも焦点を当てます。

ミュンヘン工科大学の別の研究チームは、量子結合と量子もつれにおけるミトコンドリアの役割を調査する予定です。目的は、細胞シグナル伝達と代謝を担うこれらの二重膜結合細胞小器官が、管状ネットワークを使用してニューロン間でポズナー分子を伝達できるかどうかを調べることです。

ミトコンドリアの融合と分裂により、非局所的な細胞間および細胞内の量子もつれが確立される可能性があります。ポズナー分子の解離がさらに進むとカルシウムが放出され、神経伝達物質の放出とシナプスの発火が活性化される可能性があります。これはニューロンの量子結合ネットワークに他なりません。

技術的な詳細

これまでのところ、研究者らはポズナー分子の構造と分光学的指紋を調査してきました。これらは真空中で安定であり、S6 対称性を持っています。計算された振動スペクトルは分光指紋として機能し、ポズナー分子の実験的検出に役立ちます。

不純物カチオンが中心のカルシウムを置き換える可能性があり、これは骨の成長とリンのスピン特性の両方を示しています。研究チームは、ポズナー分子が（環境デコヒーレンスから）保護された核スピンの有望な候補であり、医療画像処理や液体状態 NMR 量子計算に潜在的な影響を与えることを実証しました。

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彼らは、ポズナー分子のコヒーレント量子データをコード化できる擬似スピン量子数を発見し、（ポズナー分子の）回転自由度をその核スピンに絡ませる技術を提供する可能性がある。この技術は、量子脳の概念における生化学量子ビットとしてのポズナー分子の役割の中心です。