De: Sonia Fernandez - Santa Bárbara, CA
Liderado por Matthew Fisher, da UCSB, uma colaboração internacional de pesquisadores investigará o potencial do cérebro para computação quântica
Muito tem sido feito de processos de computação quântica usando átomos e íons ultrafrios, junções supercondutoras e defeitos em diamantes, mas poderíamos estar realizando-os em nossos próprios cérebros?
É uma questão do físico teórico da UC Santa Barbara, Matthew Fisher tem perguntado por anos. Agora, como diretor científico do novo Quantum Brain Project (QuBrain), ele está tentando colocar essa investigação em testes experimentais rigorosos.
“Poderíamos, nós mesmos, seja computadores quânticos, e não apenas robôs inteligentes que estão projetando e construindo computadores quânticos?”, Pergunta Fisher.
Algumas funções que o cérebro executa continuam a evitar a neurociência - o substrato que “guarda” memórias de muito longo prazo e como ele opera, por exemplo. A mecânica quântica, que lida com o comportamento da natureza em níveis atômicos e subatômicos, pode ser capaz de desbloquear algumas pistas. E isso, por sua vez, poderia ter grandes implicações em muitos níveis, da computação quântica e ciências dos materiais à biologia, saúde mental e até mesmo o que é ser humano.
A ideia da computação quântica em nossos cérebros não é nova. Na verdade, ele vem fazendo algumas rondas há algum tempo com alguns cientistas, assim como aqueles com menos inclinações científicas. Mas Fisher, um especialista de renome mundial no campo da mecânica quântica, identificou um conjunto preciso - e único - de componentes biológicos e mecanismos chave que poderiam fornecer a base para o processamento quântico no cérebro. Com US $ 1,2 milhão em subsídios durante três anos da Heising-Simons Foundation, a Fisher lançará a colaboração QuBrain na UCSB. Composto por uma equipe internacional de cientistas que medem a física quântica, biologia molecular, bioquímica, ciência colóide e neurociência comportamental, o projeto buscará evidências experimentais explícita a responder se poderíamos de fato ser computadores quânticos.
“Somos extremamente gratos à Fundação Heising-Simons pela audaciosa visão em conceder este projeto na fronteira da neurologia e da neurociência”, disse o chanceler da UC Santa Bárbara, Henry T. Yang. “O professor Matthew Fisher é um físico quântico excepcional, como evidenciado pelo Prêmio Oliver E. Buckley, que ele compartilhou em 2015 por sua pesquisa sobre transições de fase quântica. Agora ele está saindo de sua estrutura tradicional de pesquisa teórica, montando uma equipe internacional de especialistas para desenvolver um programa de pesquisa experimental que determinará se existem processos quânticos no cérebro. Sua pesquisa poderia lançar uma nova luz sobre como o cérebro funciona, o que pode levar a novos protocolos de tratamento de saúde mental. Como tal, esperamos ansiosamente os resultados dos esforços de pesquisa colaborativa da QuBrain nos próximos anos ”.
"Se a questão de saber se os processos quânticos ocorrem no cérebro é respondida de forma afirmativa, pode revolucionar nossa compreensão e tratamento da função cerebral e da cognição humana", disse Matt Helgeson., professor de engenharia química da UCSB e diretor associado da QuBrain.
Qubits Bioquímicos
As marcas dos computadores quânticos residem nos comportamentos dos sistemas infinitesimais de átomos e íons, que podem manifestar “qubits” (por exemplo, “spins”) que exibem entrelaçamento quântico. Vários qubits podem formar redes que codificam, armazenam e transmitem informações, análogas aos bits digitais de um computador convencional. Nos computadores quânticos que estamos tentando construir, esses efeitos são gerados e mantidos em ambientes altamente controlados e isolados e a baixas temperaturas. Assim, o cérebro quente e úmido não é considerado um ambiente propício para exibir efeitos quânticos, já que eles devem ser facilmente “lavados” pelo movimento térmico de átomos e moléculas.
No entanto, Fisher afirma que os spins nucleares (no núcleo do átomo, em vez dos elétrons ao redor) fornecem uma exceção à regra.
"Rotações nucleares extremamente bem isoladas podem armazenar - e talvez processar - informações quânticas em escalas de tempo humanas de horas ou mais", disse ele. Fisher postula que os átomos de fósforo - um dos elementos mais abundantes no corpo - têm o necessário spin nuclear que poderia servir como um qubit bioquímico. Um dos impulsos experimentais da colaboração será monitorar as propriedades quânticas dos átomos de fósforo, particularmente o emaranhamento entre dois spins nucleares de fósforo quando ligados em uma molécula em processo bioquímico.
Enquanto isso, Helgeson e Alexej Jerschow, professor de química da Universidade de Nova York, investigará a dinâmica e o spin nuclear de moléculas de Posner - nano-clusters de fosfato de cálcio de forma esférica - e se eles têm a capacidade de proteger os spins nucleares dos qubits de átomos de fósforo, o que poderia promover a armazenamento de informação quântica. Eles também explorarão o potencial do processamento de informações quânticas não locais que poderia ser ativado por pareamento e dissociação de moléculas de Posner.
Neurônios Emaranhados
Em outro conjunto de experimentos, Tobias Fromme, um cientista da Universidade Técnica de Munique, estudará a potencial contribuição da mitocôndria para o emaranhamento e seu acoplamento quântico para os neurônios. Ele determinará se essas organelas celulares - responsáveis por funções como o metabolismo e a sinalização celular - podem transportar moléculas de Posner dentro e entre os neurônios através de suas redes tubulares. Fundir e fissionar as mitocôndrias poderia permitir o estabelecimento de emaranhamento quântico intra e intercelular não local. A subsequente dissociação das moléculas de Posner poderia desencadear a liberação de cálcio, correlacionada através da rede mitocondrial, ativando a liberação de neurotransmissores e o subsequente disparo sináptico através do que seria essencialmente uma rede quântica de neurônios - um fenômeno que Fromme buscará emular in vitro.
A possibilidade de processamento de spin nuclear cognitivo chegou a Fisher em parte por meio de estudos realizados na década de 1980 que relataram uma notável dependência de isótopos de lítio sobre o comportamento de mães-ratos. Embora dado o mesmo elemento, seu comportamento mudou drasticamente, dependendo do número de nêutrons nos núcleos de lítio. O que para a maioria das pessoas seria uma diferença insignificante era para um físico quântico como Fisher uma disparidade fundamentalmente significativa, sugerindo a importância dos spins nucleares. Aaron Ettenberg, UCSB Distinguished Professor of Psychological & Brain Sciences, conduzirá investigações que procuram replicar e estender estas experiências de isótopos de lítio.
"Por mais provável que você julgue a hipótese de Matthew Fisher, testando-a através da abordagem de pesquisa colaborativa da QuBrain, exploraremos a função neuronal com tecnologia de última geração a partir de ângulos completamente novos e com enorme potencial para descoberta", disse Fromme. Da mesma forma, de acordo com Helgeson, a pesquisa conduzida pela QuBrain tem o potencial de avanços nos campos de biomateriais, catálise bioquímica, emaranhamento quântico em química de solução e transtornos de humor em humanos, independentemente de ocorrer ou não processos quânticos no cérebro.
Citação de imagens: Moléculas de MW Swift, CG Van de Walle e MPA Fisher, Posner: Da estrutura atômica às rotações nucleares , Phys. Chem. Chem. Phys., Artigo Avançado (2018) doi: 10.1039 / C7CP07720C
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