Se ha hablado mucho de los procesos de computación cuántica que utilizan átomos e iones ultrafríos, uniones superconductoras y defectos en diamantes, pero, ¿podríamos estar realizándolos en nuestro propio cerebro?

Es una pregunta que el físico teórico de la Universidad de California en Santa Bárbara, Matthew Fisher, se ha estado haciendo durante años. Ahora, como director científico del nuevo Quantum Brain Project (QuBrain), busca someter esta investigación a rigurosas pruebas experimentales.

"¿Podríamos, Nosotros mismos, ser computadoras cuánticas, en lugar de simples robots inteligentes que están diseñando y construyendo computadoras cuánticas ”, pregunta Fisher.

Algunas funciones que realiza el cerebro continúan eludiendo a la neurociencia, el sustrato que "contiene" recuerdos a muy largo plazo y cómo funciona. por ejemplo. Mecánica cuántica, que trata del comportamiento de la naturaleza a nivel atómico y subatómico, puede ser capaz de desbloquear algunas pistas. Y eso, a su vez, podría tener importantes implicaciones en muchos niveles, desde la computación cuántica y las ciencias de los materiales hasta la biología, salud mental e incluso lo que es ser humano.

La idea de la computación cuántica en nuestro cerebro no es nueva. De hecho, ha estado circulando por un tiempo con algunos científicos, así como aquellos con inclinaciones menos científicas. Pero Fisher, un experto de renombre mundial en el campo de la mecánica cuántica, ha identificado un conjunto preciso y único de componentes biológicos y mecanismos clave que podrían proporcionar la base para el procesamiento cuántico en el cerebro. Con $ 1.2 millones en subvenciones durante tres años de la Fundación Heising-Simons, Fisher lanzará la colaboración QuBrain en UCSB. Compuesto por un equipo internacional de científicos líderes que abarcan la física cuántica, Biología Molecular, bioquímica, ciencia coloide y neurociencia del comportamiento, el proyecto buscará evidencia experimental explícita para responder si de hecho podríamos ser computadoras cuánticas.

"Estamos muy agradecidos con la Fundación Heising-Simons por la visión audaz al otorgar este proyecto en la frontera misma de la neurociencia y la cuántica, ", dijo el canciller de UC Santa Bárbara Henry T. Yang." El profesor Matthew Fisher es un físico cuántico excepcional, como lo demuestra el Premio Oliver E. Buckley que compartió en 2015 por su investigación sobre las transiciones de fase cuántica. Ahora está saliendo de su marco de investigación teórico tradicional, reunir un equipo internacional de expertos para desarrollar un programa de investigación de base experimental que determinará si existen procesos cuánticos en el cerebro. Su investigación podría arrojar nueva luz sobre cómo funciona el cerebro, lo que podría conducir a nuevos protocolos de tratamiento de salud mental. Como tal, anticipamos con entusiasmo los resultados de los esfuerzos de investigación colaborativa de QuBrain en los próximos años ".

"Si la pregunta de si los procesos cuánticos tienen lugar en el cerebro se responde afirmativamente, podría revolucionar nuestra comprensión y tratamiento de la función cerebral y la cognición humana, "dijo Matt Helgeson, profesor de ingeniería química de UCSB y director asociado de QuBrain.

Qubits bioquímicos

El sello distintivo de las computadoras cuánticas radica en el comportamiento de los sistemas infinitesimales de átomos e iones, que puede manifestar "qubits" (por ejemplo, "giros") que exhiben entrelazamiento cuántico. Múltiples qubits pueden formar redes que codifican, almacenar y transmitir información, análogo a los bits digitales en una computadora convencional. En las computadoras cuánticas que estamos tratando de construir, estos efectos se generan y mantienen en ambientes altamente controlados y aislados y a bajas temperaturas. Entonces el cálido El cerebro húmedo no se considera un entorno propicio para exhibir efectos cuánticos, ya que deberían ser "eliminados" fácilmente por el movimiento térmico de átomos y moléculas.

Sin embargo, Fisher afirma que los espines nucleares (en el núcleo del átomo, en lugar de los electrones circundantes) proporcionan una excepción a la regla.

"Los espines nucleares extremadamente bien aislados pueden almacenar, y quizás procesar, información cuántica en escalas de tiempo humanas de horas o más, Fisher postula que los átomos de fósforo, uno de los elementos más abundantes en el cuerpo, tienen el giro nuclear requerido que podría servir como un qubit bioquímico. Uno de los impulsos experimentales de la colaboración será monitorear las propiedades cuánticas del fósforo. átomos, particularmente entrelazamiento entre dos espines nucleares de fósforo cuando se unen en una molécula sometida a procesos bioquímicos.

Mientras tanto, Helgeson y Alexej Jerschow, profesor de química en la Universidad de Nueva York, investigará la dinámica y el giro nuclear de las moléculas de Posner (nanogrupos de fosfato de calcio de forma esférica) y si tienen la capacidad de proteger los espines nucleares de los qubits del átomo de fósforo, que podría promover el almacenamiento de información cuántica. También explorarán el potencial del procesamiento de información cuántica no local que podría habilitarse mediante la unión de pares y la disociación de moléculas de Posner.

Neuronas enredadas

En otro conjunto de experimentos, Tobias Fromme, científico de la Universidad Técnica de Munich, estudiará la contribución potencial de las mitocondrias al entrelazamiento y su acoplamiento cuántico a las neuronas. Él determinará si estos orgánulos celulares, responsables de funciones como el metabolismo y la señalización celular, pueden transportar moléculas Posner dentro y entre neuronas a través de sus redes tubulares. La fusión y fisión de las mitocondrias podría permitir el establecimiento de entrelazamientos cuánticos intra e intercelulares no locales. La posterior disociación de las moléculas de Posner podría desencadenar la liberación de calcio, correlacionados a través de la red mitocondrial, la activación de la liberación de neurotransmisores y la posterior activación sináptica a través de lo que sería esencialmente una red de neuronas acopladas cuánticamente, un fenómeno que Fromme tratará de emular in vitro.

La posibilidad del procesamiento cognitivo de espín nuclear llegó a Fisher en parte a través de estudios realizados en la década de 1980 que informaron una notable dependencia del isótopo de litio en el comportamiento de las ratas madres. Aunque se le da el mismo elemento, su comportamiento cambió drásticamente dependiendo del número de neutrones en los núcleos de litio. Lo que para la mayoría de la gente sería una diferencia insignificante fue para un físico cuántico como Fisher una disparidad fundamentalmente significativa, sugiriendo la importancia de los espines nucleares. Aaron Ettenberg, Profesor distinguido de UCSB de psicología y ciencias del cerebro, liderará investigaciones que buscan replicar y extender estos experimentos con isótopos de litio.

"Por muy probable que juzgues la hipótesis de Matthew Fisher, Al probarlo a través del enfoque de investigación colaborativa de QuBrain, exploraremos la función neuronal con tecnología de punta desde ángulos completamente nuevos y con un enorme potencial de descubrimiento. "dijo Fromme. Del mismo modo, según Helgeson, la investigación realizada por QuBrain tiene el potencial de lograr avances en los campos de los biomateriales, catálisis bioquímica, entrelazamiento cuántico en la química de soluciones y trastornos del estado de ánimo en humanos, independientemente de si los procesos cuánticos tienen lugar o no en el cerebro.