Qubit thần kinh hoặc cách máy tính lượng tử của não hoạt động

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Các quá trình vật lý xảy ra trong màng tế bào thần kinh trong phạm vi siêu âm được chỉ ra. Người ta chỉ ra rằng các quá trình này có thể là cơ sở cho sự hình thành các phần tử quan trọng (qubit) của một máy tính lượng tử, đó là hệ thống thông tin của não. Người ta đề xuất tạo ra một máy tính lượng tử dựa trên các nguyên tắc vật lý tương tự mà bộ não hoạt động.

Vật liệu được trình bày như một giả thuyết.

Giới thiệu. Công thức của vấn đề

Tác phẩm này nhằm tiết lộ nội dung của phần kết luận cuối cùng (số 12) của tác phẩm trước [1]: “Bộ não hoạt động giống như một máy tính lượng tử, trong đó chức năng của các qubit được thực hiện bởi các dao động điện từ kết hợp của các phần trong vỏ myelin của tế bào thần kinh, và kết nối giữa các phần này được thực hiện do tương tác không cục bộ thông qua NR.¹-trực tiếp ".

Ý tưởng cơ bản làm nền tảng cho kết luận này đã được công bố cách đây một phần tư thế kỷ trên tạp chí "Radiofizika" [2]. Bản chất của ý tưởng là trong các phần riêng biệt của neutron, cụ thể là, trong phần giao nhau của Ranvier, các dao động acousto electric kết hợp được tạo ra với tần số ~ 5 * 10¹⁰Hz, và những dao động này đóng vai trò là chất mang thông tin chính trong hệ thống thông tin của não.

Bài báo này cho thấy rằng Các chế độ dao động acousto electro trong màng tế bào thần kinh có khả năng thực hiện chức năng của qubit, trên cơ sở đó công việc của hệ thống thông tin của não được xây dựng, như một máy tính lượng tử..

Khách quan

Tác phẩm này có 3 mục tiêu:

1) thu hút sự chú ý đến công trình [2], trong đó 25 năm trước đã chỉ ra rằng dao động siêu âm kết hợp có thể được tạo ra trong màng tế bào thần kinh, 2) mô tả một mô hình mới của hệ thống thông tin não, dựa trên sự hiện diện của các dao động siêu âm mạch lạc trong màng tế bào thần kinh, 3) đề xuất một loại máy tính lượng tử mới, công việc của nó sẽ mô phỏng hoạt động của hệ thống thông tin của bộ não ở mức độ tối đa.

Nội dung của tác phẩm

Phần đầu tiên mô tả cơ chế vật lý tạo ra trong màng tế bào thần kinh các dao động điện âm kết hợp với tần số theo bậc 5 * 10¹⁰Hz.

Phần thứ hai mô tả các nguyên tắc của hệ thống thông tin não dựa trên các dao động mạch lạc được tạo ra trong màng tế bào thần kinh.

Trong phần thứ ba, người ta đề xuất tạo ra một máy tính lượng tử mô phỏng hệ thống thông tin của não.

I. Bản chất của dao động tổng hợp trong màng nơron

Cấu trúc của một tế bào thần kinh được mô tả trong bất kỳ chuyên khảo nào về khoa học thần kinh. Mỗi tế bào thần kinh chứa một cơ quan chính, nhiều quá trình (đuôi gai), qua đó nó nhận tín hiệu từ các tế bào khác, và một quá trình dài (sợi trục), qua đó bản thân nó phát ra các xung điện (điện thế hoạt động).

Trong tương lai, chúng tôi sẽ xem xét riêng các sợi trục. Mỗi sợi trục chứa các vùng gồm 2 loại xen kẽ với nhau:

1. Ranvier đánh chặn, 2. bao myelin.

Mỗi lần đánh chặn Ranvier được bao bọc giữa hai phân đoạn có bao myelin. Độ dài đánh chặn của Ranvier nhỏ hơn độ dài đoạn myelin 3 bậc: độ dài đánh chặn của Ranvier là 10^-4cm (một micrômet), và chiều dài của đoạn myelin là 10^-1cm (một milimét).

Các điểm chặn của Ranvier là các vị trí mà các kênh ion được nhúng vào. Thông qua các kênh này, các ion Na⁺ và K⁺ thâm nhập vào và ra khỏi sợi trục, dẫn đến sự hình thành các điện thế hoạt động. Hiện tại người ta tin rằng việc hình thành các điện thế hoạt động là chức năng duy nhất trong các hoạt động đánh chặn của Ranvier.

Tuy nhiên, trong công việc [2], người ta đã chỉ ra rằng các đòn đánh chặn của Ranvier có khả năng thực hiện một chức năng quan trọng hơn: trong các trường hợp gián đoạn của Ranvier, các dao động điện từ kết hợp được tạo ra.

Việc tạo ra các dao động acousto điện kết hợp được thực hiện do hiệu ứng acousto electric laser, được thực hiện trong các phần ngăn của Ranvier, vì cả hai điều kiện cần thiết để thực hiện hiệu ứng này đều được đáp ứng:

1) sự hiện diện của bơm, bằng cách kích thích các chế độ dao động, 2) sự hiện diện của một bộ cộng hưởng mà thông qua đó phản hồi được thực hiện.

1) Bơm được cung cấp bởi dòng ion Na⁺ và K⁺chảy qua sự can thiệp của Ranvier. Do mật độ kênh cao (10¹² cm^-2) và thông lượng cao của chúng (10⁷ ion / giây), mật độ của dòng ion qua các điểm chặn của Ranvier là cực kỳ cao. Các ion đi qua kênh kích thích các chế độ dao động của các tiểu đơn vị hình thành bề mặt bên trong của kênh, và do hiệu ứng laser, các chế độ này được đồng bộ hóa, tạo thành các dao động siêu âm kết hợp.

2) Chức năng của một bộ cộng hưởng, tạo ra một phản hồi phân tán, được thực hiện bởi một cấu trúc tuần hoàn, có trong các vỏ myelin, giữa đó các ngăn của Ranvier được bao bọc. Cấu trúc tuần hoàn được tạo ra bởi các lớp màng có độ dày từ d ~ 10^-6 cm.

Khoảng thời gian này tương ứng với bước sóng cộng hưởng λ ~ 2d ~ 2 * 10^-6 cm và tần số ν ~ υ / λ ~ 5 * 10¹⁰ Hz, υ ~ 10⁵ cm / giây - tốc độ của sóng siêu âm.

Một vai trò quan trọng được đóng bởi thực tế là các kênh ion có tính chọn lọc. Đường kính của các kênh trùng với đường kính của các ion, do đó các ion tiếp xúc chặt chẽ với các tiểu đơn vị lót bề mặt bên trong của kênh.

Kết quả là, các ion chuyển phần lớn năng lượng của chúng sang các chế độ dao động của các tiểu đơn vị này: năng lượng của các ion được chuyển đổi thành năng lượng dao động của các tiểu đơn vị tạo thành các kênh, đó là lý do vật lý cho quá trình bơm.

Việc đáp ứng cả hai điều kiện cần thiết để thực hiện hiệu ứng laser có nghĩa là các điểm đánh chặn của Ranvier là laser âm thanh (bây giờ chúng được gọi là "sasers"). Một tính năng của sasers trong màng tế bào thần kinh là quá trình bơm được thực hiện bởi một dòng điện ion: Các trường hợp đánh chặn Ranvier là các saser tạo ra các dao động điện từ kết hợp với tần số ~ 5 * 10¹⁰ Hz.

Do hiệu ứng laze, dòng điện ion đi qua các điểm giao thoa của Ranvier không chỉ kích thích các chế độ dao động của các phân tử tạo nên các điểm chặn này (đó sẽ là sự chuyển đổi đơn giản năng lượng của dòng ion thành nhiệt năng): trong của Ranvier, các chế độ dao động được đồng bộ hóa, do đó các dao động nhất quán của tần số cộng hưởng được hình thành.

Các dao động được tạo ra trong các giao thoa của Ranvier dưới dạng sóng âm tần số siêu âm truyền vào các vỏ myelin, nơi chúng tạo thành một "mẫu giao thoa" âm thanh (siêu âm), đóng vai trò như chất mang vật chất của hệ thống thông tin của não

II. Hệ thống thông tin của não, giống như một máy tính lượng tử, các qubit trong số đó là các chế độ dao động điện

Nếu kết luận về sự hiện diện của dao động âm thanh kết hợp tần số cao trong não phù hợp với thực tế, thì rất có thể hệ thống thông tin của não hoạt động trên cơ sở của những dao động này: một phương tiện dung lượng như vậy chắc chắn phải được sử dụng để ghi lại. và tái tạo thông tin.

Sự hiện diện của các rung động siêu âm mạch lạc cho phép não bộ hoạt động trong chế độ của một máy tính lượng tử. Chúng ta hãy xem xét cơ chế có khả năng xảy ra nhất để tạo ra một máy tính lượng tử "não", trong đó các tế bào thông tin cơ bản (qubit) được tạo ra trên cơ sở các chế độ dao động siêu âm.

Một qubit là một tổ hợp tuyến tính tùy ý của các trạng thái cơ bản | Ψ₀> và | Ψ₁> với các hệ số α, β thỏa mãn điều kiện chuẩn hóa α² + β² = 1. Trong trường hợp chế độ dao động, các trạng thái cơ bản có thể khác nhau bởi bất kỳ thông số nào trong 4 tham số đặc trưng cho các chế độ này: biên độ, tần số, phân cực, pha.

Biên độ và tần số có lẽ không được sử dụng để tạo ra một qubit, vì trong tất cả các khu vực của sợi trục, 2 thông số này gần như giống nhau.

Khả năng thứ ba và thứ tư vẫn là: phân cực và pha. Các qubit dựa trên sự phân cực và giai đoạn của dao động âm hoàn toàn tương tự như các qubit trong đó sự phân cực và pha của các photon được sử dụng (việc thay thế các photon bằng các phonon không có tầm quan trọng cơ bản).

Có khả năng là sự phân cực và pha được sử dụng cùng nhau để tạo thành qubit âm trong mạng myelin của não. Giá trị của 2 đại lượng này xác định dạng elip mà phương dao động hình thành trong mỗi mặt cắt của vỏ bao myelin sợi trục: trạng thái cơ bản của qubit âm thanh của máy tính lượng tử trong não được cung cấp bởi sự phân cực hình elip.

Số lượng sợi trục trong não phù hợp với số lượng tế bào thần kinh: khoảng 10¹¹… Một sợi trục có trung bình 30 đoạn myelin và mỗi đoạn có thể hoạt động như một qubit. Điều này có nghĩa là số lượng qubit trong hệ thống thông tin của não có thể đạt tới 3 * 10¹².

Dung lượng thông tin của một thiết bị có số qubit như vậy tương đương với một máy tính thông thường, bộ nhớ trong đó có 2^{3 000 000 000 000}chút ít.

Giá trị này lớn hơn 10 tỷ bậc độ lớn so với số lượng hạt trong Vũ trụ (10⁸⁰). Dung lượng thông tin lớn như vậy của máy tính lượng tử của não cho phép bạn ghi lại một lượng thông tin lớn tùy ý và giải quyết mọi vấn đề.

Để ghi thông tin, bạn không cần phải tạo một thiết bị ghi đặc biệt: thông tin có thể được lưu trữ trên cùng một phương tiện mà thông tin được xử lý (ở trạng thái lượng tử của qubit).

Mỗi hình ảnh và thậm chí mỗi "bóng râm" của một hình ảnh (có tính đến tất cả các kết nối của một hình ảnh nhất định với các hình ảnh khác) có thể được liên kết với một điểm trong không gian Hilbert, phản ánh một tập hợp các trạng thái của qubit của một máy tính lượng tử trong não.. Khi một tập hợp các qubit ở cùng một điểm trong không gian Hilbert, hình ảnh này "nhấp nháy" trong ý thức và nó được tái tạo.

Việc đưa các qubit âm vào một máy tính lượng tử trong não có thể được thực hiện theo hai cách.

Cách thứ nhất: do sự hiện diện của sự tiếp xúc chặt chẽ giữa các phần của mạng lưới myelin của não và chuyển sự vướng víu qua các tiếp xúc này.

Cách thứ hai: sự vướng víu có thể xuất hiện do nhiều lần lặp lại cùng một tập hợp các chế độ dao động: mối tương quan giữa các chế độ này trở thành một trạng thái lượng tử duy nhất, giữa các phần tử mà kết nối phi địa phương được thiết lập (có thể, với sự trợ giúp của NR¹- đoạn thẳng [1]). Sự hiện diện của kết nối không cục bộ cho phép mạng thông tin của não thực hiện các phép tính nhất quán bằng cách sử dụng "song song lượng tử".

Chính tính chất này đã mang lại cho bộ não máy tính lượng tử sức mạnh tính toán cực cao.

Để máy tính lượng tử của não hoạt động hiệu quả, không cần sử dụng cả 3 * 10¹² qubit tiềm năng. Hoạt động của một máy tính lượng tử sẽ hiệu quả ngay cả khi số lượng qubit là khoảng một nghìn (10³). Số lượng qubit này có thể được hình thành trong một bó sợi trục, chỉ bao gồm 30 sợi trục (mỗi dây thần kinh có thể là một máy tính lượng tử "mini"). Do đó, một máy tính lượng tử có thể chiếm một phần rất nhỏ của não, và nhiều máy tính lượng tử có thể tồn tại trong não.

Sự phản đối chính đối với cơ chế được đề xuất của hệ thống thông tin não là sự suy giảm lớn của sóng siêu âm. Trở ngại này có thể được khắc phục nhờ hiệu ứng "khai sáng".

Cường độ của các chế độ dao động được tạo ra có thể đủ để lan truyền ở chế độ trong suốt tự cảm ứng (các dao động nhiệt, có thể phá hủy tính liên kết của chế độ dao động, bản thân chúng trở thành một phần của chế độ dao động này).

III. Một máy tính lượng tử được xây dựng dựa trên các nguyên tắc vật lý tương tự như bộ não con người

Nếu hệ thống thông tin của bộ não thực sự hoạt động giống như một máy tính lượng tử, các qubit của chúng là các chế độ điện từ, thì hoàn toàn có thể tạo ra một máy tính hoạt động theo các nguyên tắc tương tự.

Trong 5-6 tháng tới, tác giả dự định sẽ nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho máy tính lượng tử mô phỏng hệ thống thông tin của não bộ.

Sau 5-6 năm nữa, chúng ta có thể mong đợi sự xuất hiện của những mẫu trí tuệ nhân tạo đầu tiên, hoạt động giống như hình ảnh và bộ não con người.

Máy tính lượng tử sử dụng các định luật chung nhất của cơ học lượng tử. Tự nhiên "không phát minh ra" bất kỳ định luật chung nào nữa, do đó, hoàn toàn tự nhiên ý thức hoạt động trên nguyên tắc của một máy tính lượng tử, sử dụng khả năng tối đa để xử lý và ghi lại thông tin do tự nhiên cung cấp.

Nên tiến hành một thí nghiệm trực tiếp để phát hiện các dao động âm điện kết hợp trong mạng myelin của não. Để làm điều này, người ta nên chiếu xạ các phần của mạng myelin của não bằng chùm tia laze và cố gắng phát hiện sự điều biến với tần số khoảng 5 * 10 đối với ánh sáng truyền qua hoặc phản xạ.¹⁰ Hz.

Một thí nghiệm tương tự có thể được thực hiện trên mô hình vật lý của sợi trục, tức là một màng được tạo ra nhân tạo với các kênh ion tích hợp. Thí nghiệm này sẽ là bước đầu tiên hướng tới việc tạo ra một máy tính lượng tử, công việc của nó sẽ được thực hiện trên các nguyên tắc vật lý giống như hoạt động của bộ não.

Việc tạo ra các máy tính lượng tử hoạt động giống như một bộ não (và tốt hơn là một bộ não) sẽ nâng sự hỗ trợ thông tin của nền văn minh lên một tầm cao mới về chất lượng.

Sự kết luận

Tác giả cố gắng thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học đến công trình của một phần tư thế kỷ trước [2], có thể quan trọng đối với việc hiểu cơ chế của hệ thống thông tin não và xác định bản chất của ý thức. Bản chất của công trình là chứng minh rằng các phần riêng lẻ của màng tế bào thần kinh (các phần giao thoa giữa Ranvier) đóng vai trò là nguồn tạo ra các dao động điện từ kết hợp.

Tính mới cơ bản của công trình này nằm ở việc mô tả cơ chế mà các dao động được tạo ra trong các khoảng ngắt của Ranvier được sử dụng cho hoạt động của hệ thống thông tin của não như một vật mang trí nhớ và ý thức.

Giả thuyết được chứng minh rằng hệ thống thông tin của não hoạt động giống như một máy tính lượng tử, trong đó chức năng của các qubit được thực hiện bởi các chế độ dao động điện từ trong màng tế bào thần kinh. Nhiệm vụ chính của công việc là chứng minh luận điểm rằng bộ não là một máy tính lượng tử có qubit là dao động kết hợp của màng tế bào thần kinh.

Cùng với sự phân cực và pha, một tham số khác của sóng siêu âm trong màng tế bào thần kinh có thể được sử dụng để hình thành qubit là độ xoắn (đây là 5^{và tôi} đặc trưng của sóng, phản ánh sự có mặt của momen động lượng quỹ đạo).

Việc tạo ra các sóng xoáy không gây ra bất kỳ khó khăn cụ thể nào: đối với điều này, các cấu trúc xoắn ốc hoặc các khuyết tật phải có ở biên giới của vùng giao thoa Ranvier và vùng myelin. Có thể, những cấu trúc và khuyết tật như vậy có tồn tại (và bản thân các vỏ myelin là hình xoắn ốc).

Theo mô hình được đề xuất, chất mang thông tin chính trong não là chất trắng của não (vỏ myelin), chứ không phải chất xám như người ta vẫn tin hiện nay. Các vỏ myelin không chỉ giúp tăng tốc độ lan truyền điện thế hoạt động, mà còn là chất vận chuyển chính của trí nhớ và ý thức: hầu hết thông tin được xử lý ở chất trắng chứ không phải chất xám của não.

Trong khuôn khổ của mô hình đề xuất về hệ thống thông tin của não, bài toán tâm sinh lý do Descartes đặt ra đã tìm ra lời giải: “Cơ thể và tinh thần quan hệ như thế nào trong một con người?”, Hay nói cách khác, mối quan hệ giữa vật chất và ý thức là gì?

Câu trả lời như sau: tinh thần tồn tại trong không gian Hilbert, nhưng được tạo ra bởi các qubit lượng tử hình thành bởi các hạt vật chất tồn tại trong không-thời gian.

Công nghệ hiện đại có thể tái tạo cấu trúc của mạng trục của não và kiểm tra xem liệu các rung động siêu âm có thực sự được tạo ra trong mạng này hay không, sau đó tạo ra một máy tính lượng tử trong đó những rung động này sẽ được sử dụng làm qubit.

Theo thời gian, trí tuệ nhân tạo dựa trên máy tính lượng tử acousto electric sẽ có thể vượt qua các đặc tính định tính của ý thức con người. Điều này sẽ làm cho nó có thể thực hiện một bước mới về cơ bản trong quá trình tiến hóa của loài người, và bước này sẽ được thực hiện bởi ý thức của chính con người.

Đã đến lúc bắt đầu thực hiện tuyên bố cuối cùng của công việc [2]: "Trong tương lai, có thể tạo ra một máy tính thần kinh hoạt động trên các nguyên tắc vật lý tương tự như bộ não con người.".

kết luận

1. Trong màng tế bào thần kinh, có các dao động âm điện kết hợp: các dao động này được tạo ra phù hợp với hiệu ứng laze âm trong các vùng cắt của Ranvier và truyền vào các vỏ myelin

2. Dao động âm điện kết hợp trong vỏ myelin của tế bào thần kinh thực hiện chức năng của qubit, trên cơ sở đó hệ thống thông tin của não hoạt động theo nguyên tắc của máy tính lượng tử

3. Trong những năm tới, có thể tạo ra trí thông minh nhân tạo, là một máy tính lượng tử hoạt động trên các nguyên tắc vật lý tương tự mà hệ thống thông tin của não hoạt động

VĂN CHƯƠNG

1. V. A. Shashlov, Mô hình mới của vũ trụ (I) // "Học viện về thuyết Ba ngôi", M., El số 77-6567, publ. 24950, 20.11.2018