Splątanie fotonów może wyjaśnić szybkie sygnały mózgowe stojące za świadomością

16 sierpnia 2024 bez awarii

Artykuł ten został zrecenzowany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, dbając jednocześnie o wiarygodność treści:

• sprawdzane faktycznie
• publikacja poddana recenzji przez rówieśników
• zaufane źródło
• skorygowane

przez Davida Appella z Phys.org

Zrozumienie natury świadomości jest jednym z najtrudniejszych problemów w nauce. Niektórzy naukowcy sugerują, że mechanika kwantowa, a w szczególności splątanie kwantowe, jest kluczem do wyjaśnienia tego zjawiska.

Teraz grupa badawcza w Chinach wykazała, że wewnątrz osłony mieliny, pokrywającej włókna nerwowe, można wygenerować wiele splątanych fotonów. Mogłoby to wyjaśnić szybką komunikację między neuronami, dotychczas uważaną za poniżej prędkości dźwięku, zbyt wolną, by wyjaśnić, jak zachodzi synchronizacja neuronalna.

Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Physical Review E.

„Jeśli moc ewolucji szukała wygodnej akcji na odległość, splątanie kwantowe byłoby [idealnym] kandydatem na tę rolę” — powiedział Yong-Cong Chen w oświadczeniu dla Phys.org. Chen jest profesorem w Shanghai Center for Quantitative Life Sciences oraz wykładowcą na Wydziale Fizyki Uniwersytetu w Szanghaju.

Mózg komunikuje się wewnątrz siebie poprzez wysyłanie sygnałów elektrycznych, zwanych synapsami, między neuronami, które są głównymi składnikami tkanki nerwowej. To zsynchronizowana aktywność milionów neuronów jest podstawą świadomości (między innymi działalności mózgu). Jednak sposób, w jaki ta precyzyjna synchronizacja ma miejsce, jest nieznany.

Połączenia między neuronami nazywane są aksonami — długie struktury podobne do przewodów elektrycznych, pokryte powłoką zwaną „osłoną”, złożoną z mieliny, białej tkanki lipidowej.

Składająca się z setek warstw mielina izoluje aksony, kształtuje je i dostarcza energii. (Tak naprawdę seria takich osłon rozciąga się wzdłuż aksonu. Osłona mielinowa ma zazwyczaj długość około 100 mikronów, z odstępami między nią wynoszącymi 1 do 2 mikronów.) Ostatnie dowody sugerują, że mielina odgrywa również ważną rolę w promowaniu synchronizacji między neuronami.

Jednak prędkość, z jaką sygnały rozchodzą się wzdłuż aksonów, jest poniżej prędkości dźwięku, czasami znacznie poniżej — zbyt wolna, by tworzyć miliony synchronizacji neuronów, które stanowią podstawę wszystkich niesamowitych rzeczy, jakie mózg może zrobić.

Aby zaradzić temu problemowi, Chen i jego koledzy sprawdzili, czy wewnątrz tego systemu akson-mielina mogą istnieć splątane fotony, które, dzięki magii splątania kwantowego, mogą natychmiastowo komunikować się na odpowiednich odległościach.

Trójkwasowy cykl krebsa uwalnia energię zgromadzoną w substancjach odżywczych, w trakcie procesu cyklowania uwalniane są fotonu podczerwone. Te fotony sprzęgają się z drganiami wiązań węgiel-wodór (C-H) w cząsteczkach lipidów, pobudzając je do wyższego stanu energetycznego drgań. Gdy wiązanie przechodzi potem na niższy stan energetyczny, uwalnia kaskadę fotonów.

Chińska grupa zastosowała kwantowe elektrohydrodynamikę w obwódce składającej się z idealnego cylindra otoczonego mieliną, przyjmując rozsądne założenie, że zewnętrzna ściana osłony mielinowej jest idealnie cylindryczną ścianą przewodzącą.

Wykorzystując techniki mechaniki kwantowej, zkwantowali pola elektromagnetyczne i pole elektryczne wewnątrz obwódki, a także fotonów — czyli potraktowali je wszystkie jako obiekty kwantowe — a następnie, przy pewnych uproszczeniach, rozwiązali wynikające równania.

To pozwoliło otrzymać funkcję falową dla systemu dwóch fotonów oddziałujących z materią wewnątrz obwódki. Następnie obliczyli stopień splątania fotonów, wyznaczając jego entropię kwantową, miarę nieporządku, korzystając z rozszerzenia klasycznej entropii opracowanego przez naukowego polimatę Johna von Neumanna.

„Pokazaliśmy, że dwa fotony faktycznie mogą mieć wyższe prawdopodobieństwo splątania w określonych sytuacjach” — powiedział Chen w swoim oświadczeniu.

Przewodząca ściana ogranicza tryby fal elektromagnetycznych, które mogą istnieć wewnątrz cylindra, sprawiając, że cylindryczna obwódka jest elektromagnetyczną obwódką, która zatrzymuje większość energii wewnątrz. Te tryby są inne niż ciągłe fale elektromagnetyczne („światło”), które istnieją w przestrzeni wolnej.

To właśnie te dyskretne tryby powodują częste występowanie silnie splątanych fotonów wewnątrz obwódki mielinowej, których szybkość produkcji może być znacząco zwiększona w porównaniu z dwoma nie-splątanymi fotonami.

Splątanie oznacza, że stan dwóch fotonów nie jest klasyczną kombinacją dwóch stanów fotonów. Zamiast tego pomiar lub interakcja z jednym z fotonów natychmiastowo wpływa na tę samą właściwość drugiego fotonu, niezależnie od odległości.

Splątanie zostało udowodnione dla systemu, którego członkowie są oddaleni o ponad 1000 km. Nic takiego nie istnieje w fizyce klasycznej; to czysty zjawisko kwantowe. Tutaj splątanie podniosłoby możliwość znacznie szybszego przekazywania sygnałów wzdłuż części mieliny, która otacza odcinki długości aksonu.

Jedna z możliwości, jak piszą autorzy, to to, że splątanie fotonów mogłoby przeobrazić się w splątanie wzdłuż kanałów jonów potasu w neuronie. Jeśli tak, otwarcie i zamknięcie jednego kanału może wpłynąć na działanie innego gdzieś indziej.

Chen powiedział Phys.org, że ich wynik jest kombinacją dwóch zjawisk istniejących, ale wciąż w dużej mierze tajemniczych: świadomość (a tym bardziej kwantowa świadomość) i splątanie kwantowe.

'Nie powiemy, że istnieje bezpośrednie połączenie. Na tym wczesnym etapie naszym głównym celem jest zidentyfikowanie możliwych mechanizmów synchronizacji neuronalnej, które wpływają na liczne procesy neurobiologiczne. Poprzez tę pracę mamy nadzieję zyskać lepsze zrozumienie.'

Więcej informacji: Zefei Liu et al, Generacja splątanych biphotonów w osłonie mielinowej, Physical Review E (2024). DOI: 10.1103/PhysRevE.110.024402. Na arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2401.11682

Informacje o czasopiśmie: Physical Review E, arXiv

© 2024 Science X Network