Explorando la computación cuántica en el cerebro humano

• Los átomos de fósforo de nuestro cuerpo tienen el espín nuclear necesario que podría actuar como qubits bioquímicos.
• Los científicos están estudiando el espín nuclear y otras dinámicas de nanogrupos de moléculas Posner de forma esférica, que podrían estar desempeñando el papel de qubits neuronales.

Un equipo internacional de investigadores, dirigido por la Universidad de California en Santa Bárbara, estudiará el potencial del cerebro humano para la computación cuántica. Según Matthew Fisher, físico teórico de la UCSB, es posible que estemos realizando procesamiento cuántico en nuestro propio cerebro.

El concepto de computación cuántica en el cerebro humano no es del todo nuevo. Los científicos han estado estudiando esto desde hace algún tiempo. Fisher ha ideado algo extraordinario:un conjunto único de claves biológicas que podría emplear la computación cuántica en nuestro cerebro.

Hasta ahora, sólo has oído hablar de la computación cuántica basada en la congelación de átomos e iones, defectos en diamantes y uniones superconductoras. Sin embargo, este estudio (Quantum Brain Project) buscará datos experimentales que puedan responder algunas preguntas extrañas como "¿somos computadoras cuánticas"?

El proyecto ha recibido un total de 1,2 millones de dólares durante 3 años. Esta investigación podría ayudarnos a comprender mejor cómo funciona nuestro cerebro, lo que podría conducir a nuevos procedimientos de tratamiento mental.

Independientemente de si nuestro cerebro realiza o no computación cuántica, este estudio proporcionará avances significativos en los campos de la química de soluciones, el entrelazamiento cuántico, la catálisis bioquímica, los biomateriales y los trastornos del estado de ánimo humano.

Computación cuántica

Como se mencionó anteriormente, la computación cuántica depende únicamente del comportamiento de los átomos y los iones, que pueden estar en superposición. En lugar de representar bits, estas partículas representan qubits que pueden tomar el valor 1, 0 o ambos simultáneamente.

Al igual que los bits digitales en la informática tradicional, un conjunto de qubits puede crear una red para codificar, almacenar y transmitir información. En las computadoras cuánticas, los qubits se crean y mantienen a temperaturas muy bajas, en un ambiente altamente aislado y controlado.

Por otro lado, la temperatura del cerebro humano es cálida y ciertamente no es un ambiente perfecto para exhibir efectos cuánticos debido al movimiento térmico de los átomos y las moléculas.

Procesamiento cuántico en el cerebro humano

Según Fisher, los espines nucleares (en el núcleo del átomo, en lugar de los electrones cercanos) proporcionan algo inusual, algo que no se ha estudiado hasta ahora.

Los espines nucleares, que están bien aislados, pueden almacenar datos cuánticos durante horas (o tal vez más). Los átomos de fósforo (el 1% de los elementos de nuestro cuerpo) tienen el espín nuclear necesario que podría actuar como qubits bioquímicos .

Crédito de la imagen:Peter Allen / UC Santa Bárbara

Actualmente, el equipo de investigación está monitoreando las propiedades cuánticas del fósforo. Específicamente, buscan entrelazamientos entre dos espines nucleares de átomos de fósforo cuando se unen entre sí para formar una molécula.

Fuente: publicación RSC | doi:10.1039/C7CP07720C | UC Santa Bárbara

Mientras tanto, un equipo de investigación de la Universidad de Nueva York está estudiando el espín nuclear y otras dinámicas de nanogrupos de moléculas de Posner de forma esférica. En este proyecto, intentarán descubrir si estas moléculas son lo suficientemente capaces de proteger los espines nucleares de los qubits bioquímicos. Además, también se centrarán en la disociación y unión de pares de moléculas de Posner, que permiten el procesamiento de datos cuánticos no locales.

Otro equipo de investigación de la Universidad Técnica de Munich investigará el papel de las mitocondrias en el acoplamiento y entrelazamiento cuántico. El objetivo es descubrir si estos orgánulos unidos a una doble membrana, responsables de la señalización y el metabolismo celular, pueden utilizar sus redes tubulares para transferir moléculas de Posner entre neuronas.

La fusión y fisión de mitocondrias podrían establecer un entrelazamiento cuántico inter e intracelular no local. Una mayor disociación de las moléculas de Posner podría liberar calcio, activando la liberación de neurotransmisores y la activación sináptica, que no serían más que redes de neuronas acopladas cuánticamente.

Detalles técnicos

Hasta ahora, los investigadores han investigado la estructura de las moléculas de Posner y su huella espectroscópica. Son estables en el vacío y tienen simetría S6. El espectro vibratorio calculado puede servir como huella espectroscópica, ayudando con la detección experimental de moléculas de Posner.

Los cationes de impureza podrían reemplazar el calcio central, lo que indica tanto el crecimiento óseo como las propiedades de rotación del fósforo. El equipo ha demostrado que la molécula de Posner es un candidato prometedor de espines nucleares protegidos (de la decoherencia ambiental), con implicaciones potenciales en imágenes médicas y cálculo cuántico de RMN en estado líquido.

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Han descubierto un número cuántico de pseudoespín que podría codificar datos cuánticos coherentes en moléculas de Posner y podría proporcionar una técnica para entrelazar los grados de libertad de rotación (de la molécula de Posner) con su espín nuclear. Esta técnica es fundamental para el papel de la molécula de Posner como qubit bioquímico en el concepto del cerebro cuántico.