Agyunk, mint kvantumszámítógép

Kvantumfizikai jelenségek is szerepet játszanak az agyműködésben? Roger Penrose, a mai fizika egyik legnagyobb alakja szerint igen. Nézeteit természetesen vitatják - a közelmúltban a Nature hasábjain C. Koch és K. Hepp, a Zürichi Egyetem neuroinformatikai intézetének kutatói.

Természetesen minden biológiai rendszer engedelmeskedik a fizika törvényeinek, a klasszikus és a kvantumfizikának egyaránt. A kvantumfizika magyarázatot ad a hagyományos keretek között értelmezhetetlen jelenségekre: például az elemi részecskék kettős természetére, amelyeket a kísérlettől függően egyszer részecskének, máskor hullámnak érzékelünk. Nem vagyunk képesek egyidejűleg tetszőleges pontossággal meghatározni egy részecske helyét és impulzusát (ez a Heisenberg-féle határozatlansági reláció). Két részecske össze is csatolódhat egymással, ezután az egyik valamilyen jellemzőjének megváltozása azonnal változást okoz a másikban, legyenek akármilyen távol is már egymástól. Ezt a tulajdonságot használhatják fel például a jövő kvantumszámítógépei.

Kritikus kérdés, hogy egy 300 kelvinen működő, a környezetével szoros kapcsolatban álló idegrendszer mutat-e makroszkopikus kvantumviselkedést, pl. összecsatolódást. Penrose szerint egyes molekuláris gépezetek, fehérjék képesek kvantumszámítások végzésére.

Feltételezések szerint a kvantumalgoritmusok nagyobb számítási teljesítményre képesek, mint klasszikus társaik, ezért gondolják néhányan, hogy agyunkban is kvantumalgoritmusok programja futhat. Mindeddig azonban egyetlen olyan kvantumalgoritmust alkottak meg - a nagy egész számok tényezőkre bontását -, amely hatékonyabb a klasszikus megoldásoknál. Egyelőre semmilyen további hatékony algoritmus nem született. Miért választotta volna az evolúció a bizonytalan kvantumszámításokat, ha a hagyományos ideghálózat számításai teljesen elegendők a problémák, a feladatok megoldására? - teszik fel a szerzők a kérdést a Nature cikkében, hozzátéve: az idegrendszer hatalmas teljesítménye a nagymértékben párhuzamos működésnek köszönhető. Az agy működésében nincs szükség olyan, a számítógépekben elengedhetetlen utasításokra sem, mint a memóriában való tárolásra vagy kiolvasásra való utasítás.

Nagy kvantumszámítógépet még nem sikerült létrehozni. A kvantumszámítógépet el kell szigetelni a környezetétől, hogy működni tudjon. Ugyanakkor az adatbevitelhez és az eredmény kiolvasásához kapcsolatot kell létesíteni a kvantumvilág és a hétköznapi világ között. Erre a problémára még nincs jó megoldás. A számításokat fotonokra bízhatjuk, de ezek csak gyengén hatnak kölcsön egymással. Kísérleteznek alacsony hőmérsékleten csapdába ejtett atomok vagy ionok spinjeire alapozott számításokkal is. Nehéz ilyen kvantumszámítógépeket elképzelni az agy nedves és meleg belsejében - írják a cikk szerzői.

Szervezetünk molekuláris gépezetei olyan nagyok, hogy klasszikus objektumoknak tekinthetjük őket. Az agyban két alapvető biofizikai művelet játszik szerepet az információfeldolgozásban: kémiai átvitel az idegsejtek közötti ún. szinaptikus résben és az akciós potenciálok keltése. Mindkét folyamatban ionok és neurotranszmitter (ingerület-átvivő) molekulák ezrei vesznek részt, mindkét folyamat szétrombolná a koherens kvantumállapotokat. A tüzelő neuronok ezért csak klasszikus, és nem kvantuminformációt küldenek és fogadnak - olvasható a cikkben.

Egyelőre nem tudjuk pontosan, hogyan épül fel elemekből a tudatosság. Amíg nem tudjuk, hogyan születnek meg a fizikai világból az érzetek, addig tág tere van a fantáziának. Penrose azt vallja, a tudatosság magyarázata is a kvantumvilágban rejlik. A magyarázathoz még ki kell dolgozni a gravitáció kvantumelméletét, éppen ez Penrose szakterülete. Az elmélet azonban több évtizedes erőfeszítések ellenére is még várat magára. A szerzők szerint sokkal valószínűbb, hogy a tudatosság anyagi alapja tisztán neurobiológiai alapon megérthető lesz, a magyarázathoz nincs szükség kvantumfizikára.

* * *

A szerzők érdekes gondolatkísérletet javasolnak azoknak, akik szerint a tudatosságban szerepet játszik a kvantummechnika: Schrödinger macskáját kellene újszerű módon szemlélni. Erwin Schrödinger a kvantumfizikai mérés problémájának illusztrációjára gondolta ki híressé vált gondolatkísérletet. Macska van egy zárt dobozban, és mi nem tudjuk, vajon él-e, avagy elpusztult. Ha kinyitjuk a dobozt, vagyis elvégezzük a mérést, akkor a macskát egyértelműen valamelyik, élő vagy halott állapotban találjuk. Korábban azonban a két lehetséges állapot szuperpozíciójában, bizonyos valószínűséggel mindkét állapotban létezett - egyszerre volt élő és halott. A megfigyelő szerepe a mérésben, a kvantummechanikai paradoxon értelmezése heves vitákat váltott ki fizikusok és filozófusok körében.

Az új kísérletben a megfigyelő csak egyik szemével nézi a macskát tartalmazó, ez esetben átlátszó falú dobozt, másik szeme elé gyors egymásutánban feltűnő képeket vetítenek. A tapasztalatok szerint ekkor a változatlan képet csak ritkán észleli, annak az érzékelése elnyomódik. A megfigyelő a gyorsan változó képekre figyel, a doboz, benne a macskával láthatatlan marad számára. Mi történik a macskával? A hagyományos felfogás szerint, ahogy a kvantumrendszerről egy foton klasszikus tárgyra jut - itt a megfigyelő retinájára -, akkor a kvantumállapotok szuperpozíciója megszűnik, a macska egyértelműen élő lesz vagy halott. Ha azonban a kvantummechanikai mérés elvégzéséhez a tudatosságra is szükség van, akkor a macska továbbra is meghatározatlan állapotban marad mindaddig, míg a macskás doboz látványa nem tudatosul a megfigyelőben.

Jéki László