인간 뇌에서의 양자 컴퓨팅 탐구

우리 몸의 인 원자들은 생화학적 큐비트(qubit)로 작용할 수 있는 필수 핵 스핀(nuclear spin)을 가집니다. 과학자들은 구형 포스너(Posner) 분자 나노 클러스터의 핵 스핀과 기타 역학을 연구 중인데, 이들이 신경 큐비트 역할을 할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅

위에서 언급했듯 양자 컴퓨팅은 원자와 이온의 행동에 전적으로 의존하며, 이들은 중첩(superposition) 상태일 수 있습니다. 비트를 나타내는 대신, 그런 입자들은 1, 0, 또는 둘 다 동시에 값을 가질 수 있는 큐비트를 나타냅니다.

전통 컴퓨팅의 디지털 비트처럼, 큐비트 세트는 정보 인코딩, 저장, 전송을 위한 네트워크를 생성할 수 있습니다. 양자 컴퓨터에서 큐비트는 고도로 격리되고 통제된 환경에서 매우 낮은 온도에서 생성되고 유지됩니다.

반면 인간 뇌 온도는 따뜻하며, 원자와 분자의 열운동 때문에 양자 효과를 나타내기에 결코 완벽한 환경이 아닙니다.

인간 뇌에서의 양자 처리

피셔(Fisher)에 따르면, 핵 스핀이(원자핵에서, 근처 전자가 아닌) 지금까지 연구되지 않은 무언가 특이한 것을 제공합니다.

잘 격리된 핵 스핀은 수시간(아마 더 오래) 동안 양자 데이터를 저장할 수 있습니다. 우리 몸 원소의 1%인 인 원자들은 생화학적 큐비트로 작용할 필수 핵 스핀을 가집니다.

이미지 출처: Peter Allen / UC Santa Barbara

현재 연구팀은 인의 양자 특성을 모니터링 중입니다. 구체적으로, 인 원자 두 개의 핵 스핀 간 얽힘을 찾고 있습니다. 이들이 결합해 분자를 형성할 때.

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

한편 뉴욕 대학교 연구팀은 구형 포스너(Posner) 분자 나노 클러스터의 핵 스핀과 기타 역학을 연구 중입니다. 이 프로젝트에서 이 분자들이 생화학적 큐비트의 핵 스핀을 보호할 수 있을지 알아보려 합니다. 또한 포스너 분자의 해리(dissociation)와 쌍 결합(pair-binding)에 초점을 맞출 텐데, 이는 비국소적 양자 데이터 처리를 허용합니다.

뮌헨 공과대학교 연구팀은 미토콘드리아의 양자 결합과 얽힘에서의 역할을 조사할 것입니다. 목적은 세포 신호전달과 대사를 담당하는 이 이중막 결합 소기관들이 관상 네트워크로 포스너 분자를 뉴런 간에 전송할 수 있는지 알아내는 것입니다.

미토콘드리아의 융합과 분열이 비국소적 세포간·세포내 양자 얽힘을 확립할 수 있습니다. 추가적 포스너 분자 해리가 칼슘을 방출해 신경전달물질 방출과 시냅스 발화를 활성화할 수 있는데, 이는 양자 결합된 뉴런 네트워크와 다름없습니다.

기술적 세부사항

지금까지 연구자들은 포스너 분자 구조와 분광 지문(spectroscopic fingerprint)을 조사했습니다. 진공에서 안정적이며 S6 대칭을 가집니다. 계산된 진동 스펙트럼이 분광 지문 역할을 해 포스너 분자 실험적 탐지에 도움을 줄 수 있습니다.

불순물 양이온이 중앙 칼슘을 대체할 수 있어 뼈 성장과 인 스핀 특성을 모두 나타냅니다. 팀은 포스너 분자가 환경적 탈결맞음(decoherence)으로부터 보호된 핵 스핀의 유망한 후보이며, 의료 영상과 액체 상태 NMR 양자 계산에 잠재적 함의가 있음을 입증했습니다.

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그들은 포스너 분자에서 회전 자유도(포스너 분자의)를 핵 스핀과 얽히게 할 수 있는 슈도스핀 양자수(pseudospin quantum number)를 알아냈습니다. 이 기술은 양자 뇌 개념에서 포스너 분자가 생화학적 큐비트로서 역할하는 데 핵심입니다.