Neurale qubits eller hvordan hjernens kvantecomputer fungerer

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

De fysiske processer, der forekommer i membranerne af neuroner i det hypersoniske område, er angivet. Det er vist, at disse processer kan tjene som grundlag for dannelsen af nøgleelementer (qubits) i en kvantecomputer, som er hjernens informationssystem. Det foreslås at skabe en kvantecomputer baseret på de samme fysiske principper, som hjernen arbejder på.

Materialet præsenteres som en hypotese.

Introduktion. Formulering af problemet

Dette arbejde er beregnet til at afsløre indholdet af den endelige (nr. 12) konklusion af det tidligere arbejde [1]: "Hjernen fungerer som en kvantecomputer, hvor qubits funktion udføres af sammenhængende akustoelektriske svingninger af sektioner af neuronernes myelinskeder, og forbindelsen mellem disse sektioner udføres på grund af ikke-lokal interaktion gennem NR¹-direkte".

Den grundlæggende idé, der ligger til grund for denne konklusion, blev offentliggjort for et kvart århundrede siden i tidsskriftet "Radiofizika" [2]. Essensen af ideen var, at i separate sektioner af neutroner, nemlig i aflytning af Ranvier, genereres kohærente akustoelelektriske svingninger med en frekvens på ~ 5 * 10¹⁰Hz, og disse fluktuationer tjener som den vigtigste informationsbærer i hjernens informationssystem.

Dette papir viser det akustoelelektriske oscillatoriske tilstande i neuronernes membraner er i stand til at udføre funktionen af qubits, på grundlag af hvilke arbejdet i hjernens informationssystem er bygget, som en kvantecomputer.

Objektiv

Dette arbejde har 3 mål:

1) at henlede opmærksomheden på værket [2], hvori det blev vist for 25 år siden, at sammenhængende hypersoniske svingninger kan genereres i neuronernes membraner, 2) beskrive en ny model af hjerneinformationssystemet, som er baseret på tilstedeværelsen af sammenhængende hypersoniske svingninger i neuronernes membraner, 3) at foreslå en ny type kvantecomputer, hvis arbejde vil simulere arbejdet i hjernens informationssystem i det maksimale omfang.

Værkets indhold

Det første afsnit beskriver den fysiske mekanisme for generering i membranerne af neuroner af kohærente akustoelelektriske svingninger med en frekvens i størrelsesordenen 5 * 10¹⁰Hz.

Det andet afsnit beskriver principperne for hjerneinformationssystemet baseret på sammenhængende svingninger genereret i neuronernes membraner.

I det tredje afsnit foreslås det at skabe en kvantecomputer, der simulerer hjernens informationssystem.

I. Naturen af sammenhængende svingninger i neuronernes membraner

Strukturen af en neuron er beskrevet i enhver monografi om neurovidenskab. Hver neuron indeholder et hovedlegeme, mange processer (dendritter), hvorigennem det modtager signaler fra andre celler, og en lang proces (axon), hvorigennem det selv udsender elektriske impulser (aktionspotentialer).

I fremtiden vil vi udelukkende overveje axoner. Hvert axon indeholder områder af 2 typer, der veksler med hinanden:

1. Ranviers aflytninger, 2. myelinskeder.

Hver aflytning af Ranvier er indesluttet mellem to myelinerede segmenter. Længden af aflytning af Ranvier er 3 størrelsesordener mindre end længden af myelinsegmentet: længden af aflytning af Ranvier er 10^-4cm (en mikron), og længden af myelinsegmentet er 10^-1cm (en millimeter).

Ranviers aflytninger er de steder, hvor ionkanaler er indlejret. Gennem disse kanaler, Na-ionerne⁺ og K⁺ trænge ind og ud af axonet, hvilket resulterer i dannelsen af aktionspotentialer. Det menes i øjeblikket, at dannelsen af aktionspotentialer er den eneste funktion af Ranviers aflytninger.

Men i arbejde [2] blev det vist, at Ranviers aflytninger er i stand til at udføre en mere vigtig funktion: i aflytningerne af Ranvier genereres kohærente akustoelelektriske svingninger.

Genereringen af sammenhængende akustoelelektriske svingninger udføres på grund af den akustoelelektriske lasereffekt, som realiseres ved aflytning af Ranvier, da begge nødvendige betingelser for implementering af denne effekt er opfyldt:

1) tilstedeværelsen af pumpning, ved hjælp af hvilken vibrationstilstande exciteres, 2) tilstedeværelsen af en resonator, gennem hvilken feedbacken udføres.

1) Pumping udføres af ionstrømme Na⁺ og K⁺flyder gennem Ranviers aflytninger. På grund af den høje tæthed af kanalerne (10¹² cm^-2) og deres høje gennemløb (10⁷ ion / sek.), er tætheden af ionstrømmen gennem aflytningerne af Ranvier ekstrem høj. Ionerne, der passerer gennem kanalen, exciterer vibrationstilstandene af underenhederne, der danner den indre overflade af kanalen, og på grund af lasereffekten er disse tilstande synkroniserede og danner kohærente hypersoniske oscillationer.

2) Funktionen af en resonator, der skaber en distribueret feedback, udføres af en periodisk struktur, som er til stede i myelinskederne, mellem hvilke aflytningerne af Ranvier er indesluttet. Den periodiske struktur er skabt af lag af membraner med en tykkelse på d ~ 10^-6 cm.

Denne periode svarer til en resonansbølgelængde λ ~ 2d ~ 2 * 10^-6 cm og frekvens ν ~ υ / λ ~ 5 * 10¹⁰ Hz, υ ~ 10⁵ cm / sek - hastighed af hypersoniske bølger.

En vigtig rolle spilles af det faktum, at ionkanaler er selektive. Kanalernes diameter falder sammen med ionernes diameter, så ionerne er i tæt kontakt med underenhederne, der beklæder den indre overflade af kanalen.

Som et resultat overfører ionerne det meste af deres energi til disse underenheders vibrationstilstande: ionernes energi omdannes til vibrationsenergien fra underenhederne, der udgør kanalerne, hvilket er den fysiske årsag til pumpningen.

Opfyldelsen af begge nødvendige betingelser for realisering af lasereffekten betyder, at Ranviers aflytninger er akustiske lasere (nu kaldes de "sasere"). Et træk ved sasere i neuronale membraner er, at pumpningen udføres af en ionstrøm: Ranvier-interceptions er sasers, der genererer sammenhængende akustoelelektriske svingninger med en frekvens på ~ 5 * 10¹⁰ Hz.

På grund af lasereffekten exciterer ionstrømmen, der passerer gennem aflytningerne af Ranvier, ikke kun vibrationstilstandene af molekylerne, der udgør disse aflytning (hvilket ville være en simpel omdannelse af ionstrømmens energi til termisk energi): i aflytning af Ranvier, synkroniseres de oscillatoriske tilstande, som et resultat af hvilke sammenhængende svingninger af resonansfrekvensen dannes.

Oscillationerne genereret i Ranviers aflytninger i form af akustiske bølger af hypersonisk frekvens forplanter sig ind i myelinskederne, hvor de danner et akustisk (hypersonisk) "interferensmønster", som fungerer som en materiel bærer af hjernens informationssystem

II. Hjernens informationssystem, som en kvantecomputer, hvis qubits er akustoelelektriske vibrationstilstande

Hvis konklusionen om tilstedeværelsen af højfrekvente kohærente akustiske svingninger i hjernen svarer til virkeligheden, så er det meget sandsynligt, at hjernens informationssystem arbejder på basis af disse svingninger: et så rummeligt medium skal bestemt bruges til at optage og gengive information.

Tilstedeværelsen af sammenhængende hypersoniske vibrationer gør det muligt for hjernen at fungere som en kvantecomputer. Lad os overveje den mest sandsynlige mekanisme til at realisere en "hjerne" kvantecomputer, hvor elementære informationsceller (qubits) skabes på grundlag af hypersoniske oscillatoriske tilstande.

En qubit er en vilkårlig lineær kombination af basistilstande | Ψ₀> og | Ψ₁> med koefficienter α, β, der opfylder normaliseringsbetingelsen α² + β² = 1. I tilfælde af vibrationstilstande kan basistilstandene afvige med en hvilken som helst af de 4 parametre, der karakteriserer disse tilstande: amplitude, frekvens, polarisering, fase.

Amplitude og frekvens bruges sandsynligvis ikke til at skabe en qubit, da disse 2 parametre i alle områder af axonerne er omtrent ens.

Den tredje og fjerde mulighed forbliver: polarisering og fase. Qubits baseret på polarisering og fasen af akustiske vibrationer er fuldstændig analoge med qubits, hvor polariseringen og fasen af fotoner bruges (udskiftning af fotoner med fononer er uden fundamental betydning).

Det er sandsynligt, at polarisering og fase bruges sammen til at danne akustiske qubits i hjernens myelin-netværk. Værdierne af disse 2 mængder bestemmer typen af ellipse, som den oscillerende tilstand danner i hvert tværsnit af axon myelinskeden: de grundlæggende tilstande af akustiske qubits i en kvantecomputer i hjernen er givet ved elliptisk polarisering.

Antallet af axoner i hjernen svarer til antallet af neuroner: omkring 10¹¹… Et axon har i gennemsnit 30 myelinsegmenter, og hvert segment kan fungere som en qubit. Det betyder, at antallet af qubits i hjernens informationssystem kan nå 3 * 10¹².

Informationskapaciteten for en enhed med et sådant antal qubits svarer til en konventionel computer, hvis hukommelse indeholder 2^{3 000 000 000 000}stykker.

Denne værdi er 10 milliarder størrelsesordener større end antallet af partikler i universet (10⁸⁰). En så stor informationskapacitet i hjernens kvantecomputer giver dig mulighed for at optage en vilkårlig stor mængde information og løse eventuelle problemer.

For at registrere information behøver du ikke oprette en speciel optageenhed: information kan lagres på det samme medie, som informationen behandles med (i kvantetilstande af qubits).

Hvert billede og endda hver "skygge" af et billede (under hensyntagen til alle sammenkoblingerne af et givet billede med andre billeder) kan associeres med et punkt i Hilbert-rummet, hvilket afspejler et sæt tilstande af qubits i en kvantecomputer i hjernen. Når et sæt qubits er på samme punkt i Hilbert-rummet, "blinker" dette billede i bevidstheden, og det gengives.

Sammenfiltring af akustiske qubits i en kvantecomputer i hjernen kan opnås på to måder.

Den første måde: på grund af tilstedeværelsen af tæt kontakt mellem dele af myelin-netværket i hjernen og overførsel af sammenfiltring gennem disse kontakter.

Den anden måde: sammenfiltring kan forekomme som et resultat af flere gentagelser af det samme sæt af vibrationstilstande: korrelationen mellem disse tilstande bliver en enkelt kvantetilstand, mellem de elementer, hvoraf en ikke-lokal forbindelse etableres (sandsynligvis ved hjælp af NR¹- lige linjer [1]). Tilstedeværelsen af en ikke-lokal forbindelse gør det muligt for hjernens informationsnetværk at udføre konsistente beregninger ved hjælp af "kvanteparallelisme."

Det er denne egenskab, der giver hjernens kvantecomputer ekstremt høj regnekraft.

For at hjernens kvantecomputer kan fungere effektivt, er der ingen grund til at bruge alle 3 * 10¹² potentielle qubits. Driften af en kvantecomputer vil være effektiv, selvom antallet af qubits er omkring tusind (10³). Dette antal qubits kan dannes i et axonbundt, der kun består af 30 axoner (hver nerve kan være en "mini" kvantecomputer). En kvantecomputer kan således optage en lillebitte del af hjernen, og mange kvantecomputere kan eksistere i hjernen.

Hovedindvendingen mod den foreslåede mekanisme i hjerneinformationssystemet er den store dæmpning af hypersoniske bølger. Denne hindring kan overvindes af "oplysnings"-effekten.

Intensiteten af de genererede vibrationstilstande kan være tilstrækkelig til udbredelse i tilstanden af selv-induceret gennemsigtighed (termiske vibrationer, som kan ødelægge sammenhængen i vibrationstilstanden, bliver selv en del af denne vibrationstilstand).

III. En kvantecomputer bygget på de samme fysiske principper som den menneskelige hjerne

Hvis hjernens informationssystem virkelig fungerer som en kvantecomputer, hvis qubits er akustoelelektriske tilstande, så er det meget muligt at skabe en computer, der fungerer efter de samme principper.

I løbet af de næste 5-6 måneder har forfatteren til hensigt at indgive en ansøgning om patent på en kvantecomputer, der simulerer hjernens informationssystem.

Efter 5-6 år kan vi forvente udseendet af de første prøver af kunstig intelligens, der arbejder i billedet og ligheden af den menneskelige hjerne.

Kvantecomputere bruger kvantemekanikkens mest generelle love. Naturen "opfandt" ikke mere generelle love, derfor er det ganske naturligt, at bevidsthed arbejder efter princippet om en kvantecomputer, og bruger de maksimale muligheder for at behandle og registrere information fra naturen.

Det er tilrådeligt at udføre et direkte eksperiment for at detektere sammenhængende akustoelektriske svingninger i hjernens myelinnetværk. For at gøre dette bør man bestråle dele af hjernens myelinnetværk med en laserstråle og forsøge at detektere modulering med en frekvens på omkring 5 * 10 i transmitteret eller reflekteret lys.¹⁰ Hz.

Et lignende eksperiment kan udføres på en fysisk model af et axon, dvs. en kunstigt skabt membran med indbyggede ionkanaler. Dette eksperiment vil være det første skridt mod at skabe en kvantecomputer, hvis arbejde vil blive udført efter de samme fysiske principper som hjernens arbejde.

Skabelsen af kvantecomputere, der fungerer som en hjerne (og bedre end en hjerne), vil løfte civilisationens informationsstøtte til et kvalitativt nyt niveau.

Konklusion

Forfatteren forsøger at henlede det videnskabelige samfunds opmærksomhed på arbejdet for et kvart århundrede siden [2], hvilket kan være vigtigt for at forstå mekanismen i hjerneinformationssystemet og identificere bevidsthedens natur. Essensen af arbejdet er at bevise, at individuelle sektioner af neuronale membraner (Ranvier-interceptions) tjener som kilder til sammenhængende akustoelektriske svingninger.

Den grundlæggende nyhed i dette værk ligger i beskrivelsen af den mekanisme, hvorved de svingninger, der genereres i Ranviers aflytninger, bruges til driften af hjernens informationssystem som en bærer af hukommelse og bevidsthed.

Hypotesen er underbygget, at hjernens informationssystem fungerer som en kvantecomputer, hvor funktionen af qubits udføres af akustoelelektriske oscillerende tilstande i neuronernes membraner. Arbejdets hovedopgave er at underbygge specialet, der hjernen er en kvantecomputer, hvis qubits er sammenhængende svingninger af neuronale membraner.

Sammen med polarisering og fase er en anden parameter for hypersoniske bølger i neuronale membraner, der kan bruges til at danne qubits, twist (dette er 5^{og jeg} karakteristisk for bølger, hvilket afspejler tilstedeværelsen af orbital vinkelmomentum).

Skabelsen af hvirvlende bølger udgør ikke nogen særlige vanskeligheder: for dette skal spiralstrukturer eller defekter være til stede ved grænsen af Ranvier-interceptionerne og myelinregionerne. Sandsynligvis eksisterer sådanne strukturer og defekter (og selve myelinskederne er spiralformede).

Ifølge den foreslåede model er den vigtigste informationsbærer i hjernen det hvide stof i hjernen (myelinskederne), og ikke det grå stof, som man i øjeblikket tror. Myelinskederne tjener ikke kun til at øge hastigheden af udbredelsen af aktionspotentialer, men også hovedbæreren af hukommelse og bevidsthed: det meste af informationen behandles i det hvide og ikke i hjernens grå substans.

Inden for rammerne af den foreslåede model af hjernens informationssystem finder det psykofysiske problem, som Descartes stillede, en løsning: "Hvordan hænger krop og ånd sammen i en person?", med andre ord, hvad er forholdet mellem materie og bevidsthed?

Svaret er som følger: ånd eksisterer i Hilbert rummet, men er skabt af kvante qubits dannet af materielle partikler, der eksisterer i rum-tid.

Moderne teknologi er i stand til at reproducere strukturen af hjernens aksonale netværk og kontrollere, om der faktisk genereres hypersoniske vibrationer i dette netværk, og derefter skabe en kvantecomputer, hvori disse vibrationer vil blive brugt som qubits.

Over tid vil kunstig intelligens baseret på en akustoelelektrisk kvantecomputer være i stand til at overstige de kvalitative karakteristika ved menneskelig bevidsthed. Dette vil gøre det muligt at tage et grundlæggende nyt skridt i menneskets evolution, og dette skridt vil blive taget af personens bevidsthed.

Tiden er inde til at begynde at implementere den endelige arbejdsopgørelse [2]: "I fremtiden er det muligt at skabe en neurocomputer, der vil fungere efter de samme fysiske principper som den menneskelige hjerne.".

konklusioner

1. I neuronernes membraner er der sammenhængende akustoelektriske svingninger: disse svingninger genereres i overensstemmelse med den akustiske lasereffekt i Ranviers aflytninger og forplanter sig ind i myelinskederne

2. Sammenhængende akustoelelektriske svingninger i neuronernes myelinskeder udfører funktionen af qubits, på grundlag af hvilke hjernens informationssystem fungerer efter princippet om en kvantecomputer

3. I de kommende år er det muligt at skabe kunstig intelligens, som er en kvantecomputer, der opererer efter de samme fysiske principper, som hjernens informationssystem fungerer på

LITTERATUR

1. V. A. Shashlov, New model of the Universe (I) // "Academy of Trinitarianism", M., El No. 77-6567, publ. 24950, 20.11.2018