Fotonentanglementet kan förklara de snabba hjärnsignalerna bakom medvetandet.

16 augusti 2024 inslag

Den här artikeln har granskats enligt Science X:s redaktionella process och policyer. Redaktörer har markerat följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

• faktagranskad
• peer-reviewed publikation
• pålitlig källa
• korrekturläs

av David Appell, Phys.org

Att förstå medvetandets natur är ett av de svåraste problemen inom vetenskapen. Vissa vetenskapsmän har föreslagit att kvantmekanik, och i synnerhet kvantförveckling, är nyckeln till att reda ut fenomenet.

Nu har en forskargrupp i Kina visat att många intrasslade fotoner kan genereras inuti myelinskidan som täcker nervfibrer. Det kan förklara den snabba kommunikationen mellan neuroner, som hittills har ansetts vara under ljudets hastighet, för långsam för att förklara hur den neurala synkroniseringen sker.

Artikeln är publicerad i tidskriften Physical Review E.

"Om evolutionens kraft letade efter praktisk handling över distans, skulle kvantförsnärjning vara [en] idealisk kandidat för denna roll", sa Yong-Cong Chen i ett uttalande till Phys.org. Chen är professor vid Shanghai Center for Quantitative Life Sciences and Physics Department vid Shanghai University.

Hjärnan kommunicerar inom sig själv genom att avfyra elektriska signaler som kallas synapser mellan neuroner, som är huvudkomponenterna i nervvävnad. Det är den synkroniserade aktiviteten hos miljontals neuroner som medvetandet (bland annat hjärnverksamhet) förlitar sig på. Men hur denna exakta synkronisering sker är okänt.

Förbindelser mellan neuroner kallas axoner – långa strukturer som liknar elektriska ledningar – och som täcker dem är en beläggning ('slida') gjord av myelin, en vit vävnad gjord av lipider.

Består av upp till hundratals lager, myelin isolerar axonerna, samt formar dem och levererar energi till axonerna. (I verkligheten sträcker sig en serie sådana höljen över axonets längd. Myelinskidan är typiskt cirka 100 mikron lång, med 1 till 2 mikron mellanrum mellan dem.) Nya bevis tyder på att myelin också spelar en viktig roll för att främja synkronisering mellan neuroner.

Men hastigheten med vilken signaler fortplantar sig längs axonerna är under ljudets hastighet, ibland mycket lägre – för långsam för att skapa de miljontals neuronsynkroniseringar som är grunden för alla fantastiska saker som hjärnan kan göra.

För att komma till rätta med detta problem undersökte Chen och hans kollegor om det kunde finnas intrasslade fotoner inom detta axon-myelin-system som kunde kommunicera omedelbart över de inblandade avstånden, även om det är magin med kvantintrassling.

En trikarboxylsyracykel frigör energi lagrad i näringsämnen, med en kaskad av infraröda fotoner som frigörs under cyklingsprocessen. Dessa fotoner kopplas till vibrationer från kol-väte (CH)-bindningar i lipidmolekyler och exciterar dem till ett högre vibrationsenergitillstånd. När bindningen sedan övergår till ett lägre vibrationsenergitillstånd frigör den en kaskad av fotoner.

Den kinesiska gruppen tillämpade kavitetskvantelektrohydrodynamik på en perfekt cylinder omgiven av myelinet, vilket gör det rimliga antagandet att myelinskidans yttre vägg är en perfekt cylindrisk ledande vägg.

Med hjälp av kvantmekaniska tekniker kvantiserade de de elektromagnetiska fälten och det elektriska fältet inuti kaviteten, såväl som fotonerna – det vill säga behandlade dem alla som kvantobjekt – och löste sedan, med några förenklade antaganden, de resulterande ekvationerna.

Att göra det gav vågfunktionen för systemet av de två fotoner som interagerar med materia inuti kaviteten. De beräknade sedan fotonernas grad av intrassling genom att bestämma dess kvantentropi, ett mått på oordning, med hjälp av en förlängning av klassisk entropi utvecklad av vetenskapspolymaten John von Neumann.

"Vi visade att de två fotonerna verkligen kan ha högre grad av intrassling vid tillfällen", sa Chen i sitt uttalande.

Den ledande väggen begränsar de elektromagnetiska våglägen som kan existera inuti cylindern, vilket gör cylindern till en elektromagnetisk hålighet som håller det mesta av sin energi inom sig. Dessa lägen skiljer sig från de kontinuerliga elektromagnetiska vågorna ('ljus') som finns i fritt utrymme.

Det är dessa diskreta lägen som resulterar i den frekventa produktionen av mycket intrasslade fotoner i myelinhålan, vars produktionshastighet kan förbättras avsevärt jämfört med två untrasslade fotoner.

Entanglement betyder att tvåfotontillståndet inte är en klassisk kombination av två fotontillstånd. Istället påverkar mätning eller interaktion med en av fotonerna omedelbart samma egenskap hos den andra fotonen, oavsett hur långt bort den är.

Entangling har demonstrerats för ett system vars medlemmar är över 1 000 km från varandra. Inget liknande finns i klassisk fysik; det är rent kvantfenomen. Här skulle intrassling öka möjligheten för mycket snabbare signalering längs de sektioner av myelin som omsluter segment av axonets längd.