Explorando la Computación Cuántica en el Cerebro Humano

• Los átomos de fósforo en nuestro cuerpo tienen el espín nuclear necesario que podría actuar como qubits bioquímicos.
• Científicos estudian el espín nuclear y otras dinámicas de nano-agregados de moléculas de Posner esféricas, que podrían desempeñar papel de qubits neuronales.

Un equipo internacional de investigadores, liderado por UC Santa Barbara, estudiará el potencial del cerebro humano para computación cuántica. Según Matthew Fisher, un físico teórico en UCSB, es posible que podamos estar realizando procesamiento cuántico en nuestro propio cerebro.

El concepto de computación cuántica en cerebro humano no es del todo nuevo. Los científicos han estado estudiando esto por un tiempo. Fisher ha ideado algo extraordinario – un conjunto único de claves biológicas que podrían emplear computación cuántica en nuestro cerebro.

Hasta ahora, solo has oído de computación cuántica basada en congelar átomos e iones, defectos en diamantes y uniones superconductoras. Sin embargo, este estudio (Proyecto Cerebro Cuántico) buscará datos experimentales que podrían responder preguntas bizarras como "¿somos computadoras cuánticas?".

El proyecto ha recibido un total de $1.2 millones en 3 años. Esta investigación podría ayudarnos a entender mejor cómo funciona nuestro cerebro, lo que podría llevar a nuevos procedimientos de tratamiento mental.

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

Computación Cuántica

Como se mencionó arriba, la computación cuántica depende exclusivamente del comportamiento de átomos e iones, que pueden estar en superposición. En lugar de representar bits, tales partículas representan qubits que pueden tomar el valor 1, o 0, o ambos simultáneamente.

Como bits digitales en computación tradicional, un conjunto de qubits puede crear una red para codificar, almacenar y transmitir información. En computadoras cuánticas, los qubits se crean y mantienen a temperaturas muy bajas, en un entorno altamente aislado y controlado.

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

Procesamiento Cuántico en Cerebro Humano

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

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

Crédito de imagen: Peter Allen / UC Santa Barbara

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

Fuente: RSC publishing | doi:10.1039/C7CP07720C | UC Santa Barbara

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

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

Fusión y fisión de mitocondrias podrían establecer entrelazamiento cuántico inter- e intracelular no local. Una mayor disociación de moléculas de Posner podría liberar calcio, activando la liberación de neurotransmisor y disparo sináptico, que no sería nada más que redes cuánticamente acopladas de neuronas.

Detalles Técnicos

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

Cationes de impureza podrían reemplazar un calcio central, indicando tanto crecimiento óseo como propiedades de espín de fósforo. El equipo ha demostrado que la molécula de Posner es un candidato prometedor de espines nucleares protegidos (de decoherencia ambiental), con implicaciones potenciales en imágenes médicas y computación cuántica NMR de 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 rotacionales (de molécula de Posner) con su espín nuclear. Esta técnica es central para el papel de la molécula de Posner como qubit bioquímico en el concepto de cerebro cuántico.