Per què us hauríeu de preocupar per les neurociències quàntiques

Per si no ho heu escoltat, la ciència quàntica està en plena actualitat, amb una conversa emocionada d’ordinadors quàntics inimaginablement potents, una comunicació quàntica ultraeficient i una ciberseguretat impenetrable mitjançant el xifratge quàntic.

Per què tot el bombo?

En poques paraules, la ciència quàntica promet salts gegants endavant en lloc dels passos per als quals ens hem acostumat a través de la ciència quotidiana. La ciència quotidiana, per exemple, ens proporciona nous equips que funcionen cada 2-3 anys, mentre que la ciència quàntica promet equips amb molts bilions de vegades més potència que l’ordinador més musculat disponible en l’actualitat.

En altres paraules, la ciència quàntica, si té èxit, produirà un canvi sísmic en la tecnologia que remodelarà el món tal com el coneixem, de formes encara més profundes que Internet o els telèfons intel·ligents.

Les impressionants possibilitats de la ciència quàntica sorgeixen d'una simple veritat: els fenòmens quàntics trenquen completament les regles que limiten el que poden aconseguir els fenòmens "clàssics" (normals).

Dos exemples on la ciència quàntica fa possible allò que abans era impossible de sobte són la superposició quàntica i l’entrellat quàntic.

Abordem primer la superposició quàntica.

Al món normal, un objecte com un beisbol només pot estar en un lloc alhora. Però al món quàntic, una partícula com un electró pot ocupar un nombre infinit de llocs al mateix temps, existent en el que els físics anomenen una superposició d’estats múltiples. Per tant, en el món quàntic, una cosa es comporta de vegades com moltes coses diferents.

Ara examinem l’entrellat quàntic ampliant una mica més l’analogia del beisbol. Al món normal, dues pilotes de beisbol assegudes a taquilles fosques als estadis de les principals lligues de Los Angeles i Boston són totalment independents entre si, de manera que, si obriu un dels armaris per guardar un beisbol, no passaria absolutament res a l’altre beisbol en un armari d’emmagatzematge fosc a 3.000 quilòmetres de distància. Però al món quàntic, hi ha dues partícules individuals, com ara els fotons llauna estar enredat, de manera que el simple fet de detectar un fotó amb un detector obliga instantàniament a l’altre fotó, per molt lluny que sigui, a assumir un estat concret.

Aquest entrellaçament significa que a l'univers quàntic, diverses entitats diferents de vegades poden comportar-se com una sola entitat, per més llunyanes que siguin.

Això seria l’equivalent a canviar l’estat d’una pilota de beisbol (per exemple, obligar-la a estar a la part superior o a la plataforma inferior d’un armari d’emmagatzematge) simplement obrint un armari d’emmagatzematge a 3.000 quilòmetres de distància i contemplant un diferent beisbol.

Aquests comportaments "impossibles" fan que les entitats quàntiques siguin ideals per fer l'impossible, per exemple, amb ordinadors. En ordinadors normals, un bit d'informació emmagatzemat és un zero o un, però en un ordinador quàntic un bit emmagatzemat, anomenat Qubit (bit quàntic), és a la vegada zero i un alhora. Així, quan un simple emmagatzematge de memòria de 8 bits pot contenir qualsevol número individual de 0 a 255 (2 ^ 8 = 256), una memòria de 8 Qubits pot emmagatzemar 2 ^ 8 = 256 números separats tot d'una vegada! La capacitat d’emmagatzemar exponencialment més informació és per això que els ordinadors quàntics prometen un salt quàntic en la potència de processament.

A l'exemple anterior, una memòria de 8 bits en un ordinador quàntic emmagatzema 256 nombres entre 0 i 255 alhora, mentre que una memòria de 8 bits en un ordinador ordinari només emmagatzema 1 número entre 0 i 255 alhora. Ara imaginem una memòria quàntica de 24 bits (2 ^ 24 = 16.777.216) amb només 3 vegades més Qubits que la nostra primera memòria: podria emmagatzemar una enorme quantitat 16.777.216 números diferents alhora.

La qual cosa ens porta a la intersecció de la ciència quàntica i la neurobiologia. El cervell humà és un processador molt més potent que qualsevol ordinador disponible avui en dia: aconsegueix una mica d’aquest poder impressionant aprofitant l’estranyesa quàntica de la mateixa manera que ho fan els ordinadors quàntics?

Fins fa molt poc, la resposta dels físics a aquesta pregunta ha estat un rotund "no".

Els fenòmens quàntics, com ara la superposició, es basen en l’aïllament d’aquests fenòmens de l’entorn circumdant, particularment la calor de l’entorn que posa en moviment les partícules, trastocant la hiper-delicada casa quàntica de cartes de superposició i obligant una partícula determinada a ocupar el punt A o el punt B , però mai els dos alhora.

Per tant, quan els científics estudien fenòmens quàntics, s’esforcen per aïllar el material que estudien de l’entorn circumdant, generalment reduint la temperatura dels seus experiments fins al zero gairebé absolut.

Però, des del món de la fisiologia vegetal, s’està evidenciant que alguns processos biològics que depenen de la superposició quàntica es produeixen a temperatures normals, cosa que planteja la possibilitat que un món inimaginablement estrany de la mecànica quàntica pugui introduir-se en el funcionament quotidià d’altres sistemes biològics, com el nostre sistemes nerviosos.

Per exemple, el maig de 2018, un equip d’investigació de la Universitat de Groningen, que incloïa el físic Thomas la Cour Jansen, va trobar proves que les plantes i alguns bacteris fotosintètics aconsegueixen una eficiència de gairebé el 100% convertint la llum del sol en energia útil explotant el fet que l’absorció d’energia solar causa alguns electrons a les molècules captadores de llum existeixen simultàniament tant en estats quàntics excitats com no excitats a distàncies relativament llargues dins de la planta, cosa que permet als electrons excitats de llum trobar el camí més eficient des de les molècules on es captura la llum fins a diferents molècules on es pot utilitzar energia per a la planta es crea.

L’evolució, en la seva incessant recerca per dissenyar les formes de vida més eficients en energia, sembla ignorar la creença dels físics que els efectes quàntics útils no poden ocórrer en els ambients càlids i humits de la biologia.

El descobriment d’efectes quàntics en biologia vegetal ha donat lloc a un camp de la ciència completament nou anomenat biologia quàntica. En els darrers anys, els biòlegs quàntics han desenterrat evidències de propietats mecàniques quàntiques en la percepció del camp magnètic als ulls d'algunes aus (que permeten a les aus navegar durant la migració) i en l'activació dels receptors de l'olfacte en els humans. Els investigadors de la visió també han descobert que els fotoreceptors de la retina humana són capaços de generar senyals elèctrics a partir de la captura d’un sol quanta d’energia lluminosa.

L’evolució també va fer que els nostres cervells fossin hipereficients en generar energia útil o en transmetre i emmagatzemar informació entre neurones mitjançant efectes quàntics com la superposició i l’entrellat?

Els neurocientífics estan començant a investigar aquesta possibilitat, però per mi estic emocionat amb el naixent camp de la neurociència quàntica, ja que podria conduir a avenços increïbles en la nostra comprensió del cervell.

Ho dic perquè la història de la ciència ens ensenya que els avenços més grans quasi sempre provenen d’idees que, abans que es produeixi un avenç concret, sonin increïblement estranyes. Un descobriment d'Einstein que l'espai i el temps són realment el mateix (relativitat general) és un exemple, el descobriment de Darwin que els humans van evolucionar a partir de formes de vida més primitives, és un altre. I, per descomptat, el descobriment de Planck, Einstein i Bohr de la mecànica quàntica en primer lloc, és un altre.

Tot això implica fermament que les idees que hi ha darrere del joc de demà canvien els avenços de la neurociència, avui semblaran a la majoria de la gent molt poc ortodoxa i inversemblant.

Ara, el fet que la biologia quàntica al cervell soni estranya i improbable no la qualifica automàticament per ser la font del proper salt gegant en neurociència. Però tinc la intenció que una comprensió més profunda dels efectes quàntics en els sistemes vius aportarà importants nous coneixements sobre el nostre cervell i el nostre sistema nerviós, si no per cap altra raó, que l’adopció d’un punt de vista quàntic farà que els neurocientífics cerquin respostes de forma estranya i llocs meravellosos que mai es van plantejar investigar abans.

I quan els investigadors analitzin aquests estranys i meravellosos fenòmens, aquests fenòmens podrien, com els seus cosins entranyables en física de partícules, mirar-los enrere.