인간 두뇌의 양자 컴퓨팅 탐구

• 우리 몸의 인 원자에는 생화학적 큐비트 역할을 할 수 있는 필수 핵 스핀이 있습니다.
• 과학자들은 신경 큐비트 역할을 수행할 수 있는 구형 포스너 분자 나노 클러스터의 핵 스핀 및 기타 역학을 연구하고 있습니다.

UC Santa Barbara가 이끄는 국제 연구팀은 양자 계산을 위한 인간 두뇌의 잠재력을 연구할 예정입니다. UCSB의 이론물리학자 매튜 피셔(Matthew Fisher)에 따르면 우리 뇌에서 양자 처리를 수행할 가능성이 있습니다.

인간 두뇌의 양자 컴퓨팅 개념은 완전히 새로운 것은 아닙니다. 과학자들은 한동안 이것을 연구해 왔습니다. 피셔는 우리 두뇌에 양자 컴퓨팅을 적용할 수 있는 독특한 생물학적 열쇠 세트라는 놀라운 것을 생각해냈습니다.

지금까지 여러분은 원자와 이온 동결, 다이아몬드 결함, 초전도 접합을 기반으로 한 양자 컴퓨팅에 대해서만 들어보셨습니다. 하지만 이번 연구(양자뇌 프로젝트)에서는 '우리는 양자컴퓨터인가?'와 같은 기이한 질문에 답할 수 있는 실험적 데이터를 모색할 예정이다.

이 프로젝트에는 3년간 총 120만 달러가 지원되었습니다. 이 연구는 우리의 뇌가 어떻게 작동하는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있으며, 이는 새로운 정신 치료 절차로 이어질 수 있습니다.

우리 뇌가 양자 컴퓨팅을 수행하는지 여부에 관계없이, 이 연구는 용액 화학 양자 얽힘, 생화학적 촉매 작용, 생체 재료 및 인간 기분 장애 분야에서 상당한 발전을 제공할 것입니다.

양자 컴퓨팅

위에서 언급했듯이 양자 컴퓨팅은 중첩될 수 있는 원자와 이온의 거동에만 의존합니다. 이러한 입자는 비트를 나타내는 대신 1, 0 또는 둘 다의 값을 동시에 가질 수 있는 큐비트를 나타냅니다.

기존 컴퓨팅의 디지털 비트와 마찬가지로 큐비트 집합은 정보를 인코딩, 저장 및 전송하기 위한 네트워크를 만들 수 있습니다. 양자 컴퓨터에서 큐비트는 고도로 격리되고 통제된 환경에서 매우 낮은 온도에서 생성되고 유지됩니다.

반면 인간 뇌의 온도는 따뜻하며 원자와 분자의 열운동으로 인해 양자효과를 발휘하기에는 확실히 완벽한 환경은 아니다.

인간 두뇌의 양자 처리

Fisher에 따르면 핵스핀(근처의 전자가 아닌 원자핵)은 지금까지 연구된 적이 없는 특이한 것을 제공합니다.

잘 분리된 핵 스핀은 몇 시간 동안(또는 그 이상) 양자 데이터를 저장할 수 있습니다. 인 원자(우리 신체 구성 요소의 1%)에는 생화학적 큐비트 역할을 할 수 있는 필수 핵 스핀이 있습니다. .

이미지 출처:Peter Allen / UC Santa Barbara

현재 연구팀은 인의 양자 특성을 모니터링하고 있다. 구체적으로 그들은 분자를 형성하기 위해 서로 결합할 때 인 원자의 두 핵 스핀 사이의 얽힘을 찾고 있습니다.

출처:RSC 게시 | doi:10.1039/C7CP07720C | UC 산타바바라

한편, 뉴욕 대학교 연구팀은 나노 클러스터 구형 포스너 분자의 핵 스핀과 기타 역학을 연구하고 있습니다. 이 프로젝트에서 그들은 이러한 분자가 생화학적 큐비트의 핵 스핀을 보호할 수 있을 만큼 충분히 능력이 있는지 알아내려고 노력할 것입니다. 또한 그들은 비국소적 양자 데이터 처리를 가능하게 하는 Posner 분자의 분리 및 쌍 결합에도 중점을 둘 것입니다.

뮌헨 공과대학교의 또 다른 연구팀은 양자 결합 및 얽힘에서 미토콘드리아의 역할을 조사할 예정입니다. 목표는 세포 신호 전달 및 대사를 담당하는 이중막 결합 소기관이 관형 네트워크를 사용하여 뉴런 간에 Posner 분자를 전달할 수 있는지 알아내는 것입니다.

미토콘드리아의 융합과 핵분열은 비국소적 세포간 및 세포내 양자 얽힘을 확립할 수 있습니다. Posner 분자 분리는 칼슘을 방출하여 신경 전달 물질의 방출과 시냅스 발사를 활성화할 수 있으며, 이는 뉴런의 양자 결합 네트워크에 지나지 않습니다.

기술적 세부정보

지금까지 연구자들은 포스너 분자의 구조와 분광 지문을 조사해 왔다. 진공에서 안정적이며 S6 대칭을 갖습니다. 계산된 진동 스펙트럼은 분광 지문 역할을 하여 포스너 분자의 실험적 검출에 도움이 될 수 있습니다.

불순물 양이온은 중심 칼슘을 대체하여 뼈 성장과 인 스핀 특성을 모두 나타낼 수 있습니다. 연구팀은 포스너 분자가 보호된(환경적 분리로부터) 핵 스핀의 유망한 후보이며 의료 영상 및 액체 상태 NMR 양자 계산에 잠재적인 영향을 미칠 수 있음을 입증했습니다.

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그들은 Posner 분자의 응집성 양자 데이터를 인코딩할 수 있고 (Posner 분자의) 회전 자유도를 핵 스핀과 얽히게 하는 기술을 제공할 수 있는 유사 스핀 양자수를 알아냈습니다. 이 기술은 양자 뇌 개념에서 생화학적 큐비트로서의 포스너 분자 역할의 핵심이다.