Nevrale qubits eller hvordan hjernens kvantedatamaskin fungerer

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

De fysiske prosessene som skjer i membranene til nevroner i det hypersoniske området er indikert. Det er vist at disse prosessene kan tjene som grunnlag for dannelsen av nøkkelelementer (qubits) i en kvantedatamaskin, som er hjernens informasjonssystem. Det foreslås å lage en kvantedatamaskin basert på de samme fysiske prinsippene som hjernen jobber etter.

Materialet er presentert som en hypotese.

Introduksjon. Formulering av problemet

Dette arbeidet er ment å avsløre innholdet i den endelige (nr. 12) konklusjonen av det forrige arbeidet [1]: "Hjernen fungerer som en kvantedatamaskin, der funksjonen til qubits utføres av koherente akustoelelektriske oscillasjoner av deler av myelinskjedene til nevroner, og forbindelsen mellom disse seksjonene utføres på grunn av ikke-lokal interaksjon gjennom NR¹-direkte".

Den grunnleggende ideen som ligger til grunn for denne konklusjonen ble publisert for et kvart århundre siden i tidsskriftet «Radiofizika» [2]. Essensen av ideen var at i separate seksjoner av nøytroner, nemlig i avskjæringen av Ranvier, genereres koherente akustoelelektriske oscillasjoner med en frekvens på ~ 5 * 10¹⁰Hz, og disse svingningene fungerer som hovedbæreren av informasjon i hjernens informasjonssystem.

Dette papiret viser det akustoelelektriske oscillerende moduser i membranene til nevroner er i stand til å utføre funksjonen til qubits, på grunnlag av hvilke arbeidet til hjernens informasjonssystem er bygget, som en kvantedatamaskin.

Objektiv

Dette arbeidet har 3 mål:

1) for å trekke oppmerksomhet til arbeidet [2], der det ble vist for 25 år siden at koherente hypersoniske oscillasjoner kan genereres i membranene til nevroner, 2) beskrive en ny modell av hjerneinformasjonssystemet, som er basert på tilstedeværelsen av koherente hypersoniske oscillasjoner i membranene til nevroner, 3) å foreslå en ny type kvantedatamaskin, hvis arbeid vil simulere arbeidet til hjernens informasjonssystem i størst mulig grad.

Innholdet i arbeidet

Den første delen beskriver den fysiske mekanismen for generering i membranene til nevroner av koherente akustoelelektriske oscillasjoner med en frekvens i størrelsesorden 5 * 10¹⁰Hz.

Den andre delen beskriver prinsippene for hjerneinformasjonssystemet basert på sammenhengende oscillasjoner generert i membranene til nevroner.

I den tredje delen er det foreslått å lage en kvantedatamaskin som simulerer informasjonssystemet til hjernen.

I. Naturen til koherente oscillasjoner i membranene til nevroner

Strukturen til et nevron er beskrevet i enhver monografi om nevrovitenskap. Hvert nevron inneholder en hovedkropp, mange prosesser (dendritter), som den mottar signaler fra andre celler gjennom, og en lang prosess (akson), gjennom hvilken den selv sender ut elektriske impulser (aksjonspotensialer).

I fremtiden vil vi utelukkende vurdere aksoner. Hvert akson inneholder områder av 2 typer som veksler med hverandre:

1. Ranviers avlyttinger, 2. myelinskjeder.

Hver avskjæring av Ranvier er innelukket mellom to myeliniserte segmenter. Lengden på avskjæringen av Ranvier er 3 størrelsesordener mindre enn lengden på myelinsegmentet: lengden på avskjæringen av Ranvier er 10^-4cm (én mikron), og lengden på myelinsegmentet er 10^-1cm (en millimeter).

Ranviers avskjæringer er stedene der ionekanaler er innebygd. Gjennom disse kanalene, Na-ionene⁺ og K⁺ trenge inn og ut av aksonet, noe som resulterer i dannelsen av aksjonspotensialer. Det antas for tiden at dannelsen av handlingspotensialer er den eneste funksjonen til Ranviers avskjæringer.

Imidlertid ble det i arbeid [2] vist at Ranviers avlyttinger er i stand til å utføre en viktigere funksjon: i avskjæringene av Ranvier genereres koherente akustoelelektriske svingninger.

Genereringen av koherente akustoelelektriske svingninger utføres på grunn av den akustoelelektriske lasereffekten, som realiseres i avskjæringene til Ranvier, siden begge nødvendige betingelsene for implementering av denne effekten er oppfylt:

1) tilstedeværelsen av pumping, ved hjelp av hvilken vibrasjonsmoduser begeistres, 2) tilstedeværelsen av en resonator som tilbakemeldingen utføres gjennom.

1) Pumping leveres av ionestrømmer Na⁺ og K⁺flyter gjennom avskjæringene til Ranvier. På grunn av den høye tettheten til kanalene (10¹² cm^-2) og deres høye gjennomstrømning (10⁷ ion / sek), er tettheten til ionestrømmen gjennom avskjæringene til Ranvier ekstremt høy. Ionene som passerer gjennom kanalen eksiterer vibrasjonsmodusene til underenhetene som danner den indre overflaten av kanalen, og på grunn av lasereffekten er disse modusene synkronisert, og danner koherente hypersoniske oscillasjoner.

2) Funksjonen til en resonator, som skaper en distribuert tilbakemelding, utføres av en periodisk struktur, som er tilstede i myelinskjedene, mellom hvilke avskjæringene til Ranvier er innelukket. Den periodiske strukturen er skapt av lag av membraner med en tykkelse på d ~ 10^-6 cm.

Denne perioden tilsvarer en resonansbølgelengde λ ~ 2d ~ 2 * 10^-6 cm og frekvens ν ~ υ / λ ~ 5 * 10¹⁰ Hz, υ ~ 10⁵ cm / sek - hastigheten til hypersoniske bølger.

En viktig rolle spilles av det faktum at ionekanaler er selektive. Diameteren til kanalene faller sammen med ionenes diameter, så ionene er i nær kontakt med underenhetene som kler den indre overflaten av kanalen.

Som et resultat overfører ionene mesteparten av energien sin til vibrasjonsmodusene til disse underenhetene: energien til ionene omdannes til vibrasjonsenergien til underenhetene som utgjør kanalene, som er den fysiske årsaken til pumpingen.

Oppfyllelsen av begge nødvendige betingelsene for realisering av lasereffekten betyr at Ranviers avlyttinger er akustiske lasere (nå kalles de "sasere"). Et trekk ved sasere i nevronale membraner er at pumpingen utføres av en ionestrøm: Ranvier-avskjæringer er sasers som genererer koherente akustoelelektriske oscillasjoner med en frekvens på ~ 5 * 10¹⁰ Hz.

På grunn av lasereffekten stimulerer ionestrømmen som går gjennom avskjæringene til Ranvier ikke bare vibrasjonsmodusene til molekylene som utgjør disse avskjæringene (som ville være en enkel konvertering av energien til ionestrømmen til termisk energi): i avskjæringer av Ranvier, synkroniseres de oscillerende modusene, som et resultat av at det dannes koherente oscillasjoner av resonansfrekvensen.

Oscillasjonene som genereres i Ranviers avlyttinger i form av akustiske bølger med hypersonisk frekvens, forplanter seg inn i myelinskjedene, hvor de danner et akustisk (hypersonisk) "interferensmønster", som fungerer som en materiell bærer av informasjonssystemet i hjernen

II. Informasjonssystem i hjernen, som en kvantedatamaskin, hvis qubits er akustoelelektriske vibrasjonsmoduser

Hvis konklusjonen om tilstedeværelsen av høyfrekvente koherente akustiske svingninger i hjernen samsvarer med virkeligheten, er det svært sannsynlig at informasjonssystemet til hjernen fungerer på grunnlag av disse svingningene: et slikt kapasitetsmedium må absolutt brukes til å registrere og reprodusere informasjon.

Tilstedeværelsen av koherente hypersoniske vibrasjoner gjør at hjernen kan operere i modusen til en kvantedatamaskin. La oss vurdere den mest sannsynlige mekanismen for å realisere en "hjerne" kvantedatamaskin, der elementære celler med informasjon (qubits) opprettes på grunnlag av hypersoniske oscillerende moduser.

En qubit er en vilkårlig lineær kombinasjon av basistilstander | Ψ₀> og | Ψ₁> med koeffisientene α, β som tilfredsstiller normaliseringsbetingelsen α² + β² = 1. Når det gjelder vibrasjonsmoduser, kan basistilstandene variere med hvilken som helst av de 4 parameterne som kjennetegner disse modusene: amplitude, frekvens, polarisering, fase.

Amplitude og frekvens brukes sannsynligvis ikke til å lage en qubit, siden i alle områder av aksonene er disse 2 parameterne omtrent like.

Den tredje og fjerde muligheten gjenstår: polarisering og fase. Qubits basert på polarisering og fasen av akustiske vibrasjoner er fullstendig analoge med qubits der polarisasjonen og fasen til fotoner brukes (erstatting av fotoner med fononer har ingen grunnleggende betydning).

Det er sannsynlig at polarisering og fase brukes sammen for å danne akustiske qubits i hjernens myelinnettverk. Verdiene av disse 2 mengdene bestemmer typen ellipse som oscillerende modus danner i hvert tverrsnitt av akson myelinskjeden: de grunnleggende tilstandene til akustiske qubits til en kvantedatamaskin i hjernen er gitt ved elliptisk polarisering.

Antall aksoner i hjernen samsvarer med antall nevroner: omtrent 10¹¹… Et akson har et gjennomsnitt på 30 myelinsegmenter, og hvert segment kan fungere som en qubit. Dette betyr at antall qubits i informasjonssystemet til hjernen kan nå 3 * 10¹².

Informasjonskapasiteten til en enhet med et slikt antall qubits tilsvarer en konvensjonell datamaskin, hvis minne inneholder 2^{3 000 000 000 000}biter.

Denne verdien er 10 milliarder størrelsesordener større enn antall partikler i universet (10⁸⁰). En så stor informasjonskapasitet til hjernens kvantedatamaskin lar deg registrere en vilkårlig stor mengde informasjon og løse eventuelle problemer.

For å registrere informasjon trenger du ikke opprette en spesiell opptaksenhet: informasjon kan lagres på samme medium som informasjonen behandles med (i kvantetilstander av qubits).

Hvert bilde og til og med hver "nyanse" av et bilde (som tar hensyn til alle sammenkoblingene av et gitt bilde med andre bilder) kan assosieres med et punkt i Hilbert-rommet, og reflekterer et sett med tilstander av qubits til en kvantedatamaskin i hjernen. Når et sett med qubits er på samme punkt i Hilbert-rommet, "blinker" dette bildet i bevisstheten og det reproduseres.

Sammenfiltring av akustiske qubits i en kvantedatamaskin i hjernen kan oppnås på to måter.

Den første måten: på grunn av tilstedeværelsen av nær kontakt mellom delene av myelinnettverket i hjernen og overføring av sammenfiltring gjennom disse kontaktene.

Den andre måten: sammenfiltring kan vises som et resultat av flere repetisjoner av det samme settet med vibrasjonsmoduser: korrelasjonen mellom disse modusene blir en enkelt kvantetilstand, mellom elementene som en ikke-lokal forbindelse er etablert (sannsynligvis, ved hjelp av NR¹- rette linjer [1]). Tilstedeværelsen av en ikke-lokal forbindelse gjør at hjernens informasjonsnettverk kan utføre konsistente beregninger ved å bruke "kvanteparallellisme."

Det er denne egenskapen som gir hjernens kvantedatamaskin ekstremt høy beregningskraft.

For at hjernens kvantecomputer skal fungere effektivt, er det ikke nødvendig å bruke alle 3 * 10¹² potensielle qubits. Driften av en kvantedatamaskin vil være effektiv selv om antallet qubits er omtrent tusen (10³). Dette antallet qubits kan dannes i en aksonbunt, sammensatt av bare 30 aksoner (hver nerve kan være en "mini" kvantedatamaskin). Dermed kan en kvantedatamaskin oppta en liten brøkdel av hjernen, og mange kvantedatamaskiner kan eksistere i hjernen.

Hovedinnvendingen mot den foreslåtte mekanismen til hjerneinformasjonssystemet er den store dempningen av hypersoniske bølger. Denne hindringen kan overvinnes av "opplysningseffekten".

Intensiteten til de genererte vibrasjonsmodusene kan være tilstrekkelig for forplantning i modusen for selvindusert gjennomsiktighet (termiske vibrasjoner, som kan ødelegge sammenhengen i vibrasjonsmodusen, blir selv en del av denne vibrasjonsmodusen).

III. En kvantedatamaskin bygget på de samme fysiske prinsippene som den menneskelige hjernen

Hvis informasjonssystemet til hjernen virkelig fungerer som en kvantedatamaskin, hvis qubits er akustoelelektriske moduser, så er det fullt mulig å lage en datamaskin som fungerer etter de samme prinsippene.

I løpet av de neste 5-6 månedene har forfatteren til hensikt å sende inn en søknad om patent på en kvantedatamaskin som simulerer informasjonssystemet i hjernen.

Etter 5-6 år kan vi forvente utseendet til de første prøvene av kunstig intelligens, som fungerer i bildet og likheten til den menneskelige hjernen.

Kvantedatamaskiner bruker kvantemekanikkens mest generelle lover. Naturen "fant ikke opp" noen mer generelle lover, derfor er det ganske naturlig at bevissthet fungerer etter prinsippet om en kvantedatamaskin, og bruker de maksimale mulighetene for å behandle og registrere informasjon gitt av naturen.

Det er tilrådelig å utføre et direkte eksperiment for å oppdage koherente akustoelelektriske svingninger i myelinnettverket i hjernen. For å gjøre dette bør man bestråle deler av myelinnettverket i hjernen med en laserstråle og forsøke å oppdage modulasjon med en frekvens på ca. 5 * 10 i transmittert eller reflektert lys.¹⁰ Hz.

Et lignende eksperiment kan utføres på en fysisk modell av et akson, dvs. en kunstig laget membran med innebygde ionekanaler. Dette eksperimentet vil være det første skrittet mot å lage en kvantedatamaskin, hvis arbeid vil bli utført på de samme fysiske prinsippene som hjernens arbeid.

Opprettelsen av kvantedatamaskiner som fungerer som en hjerne (og bedre enn en hjerne) vil heve sivilisasjonens informasjonsstøtte til et kvalitativt nytt nivå.

Konklusjon

Forfatteren prøver å trekke vitenskapsmiljøets oppmerksomhet til arbeidet for et kvart århundre siden [2], som kan være viktig for å forstå mekanismen til hjerneinformasjonssystemet og identifisere bevissthetens natur. Essensen av arbeidet er å bevise at individuelle seksjoner av nevronale membraner (Ranvier-avskjæringer) tjener som kilder til koherente akustoelelektriske svingninger.

Den grunnleggende nyheten i dette arbeidet ligger i beskrivelsen av mekanismen som svingningene som genereres i avskjæringene til Ranvier brukes til driften av informasjonssystemet i hjernen som en bærer av minne og bevissthet.

Hypotesen er underbygget at informasjonssystemet i hjernen fungerer som en kvantedatamaskin, der funksjonen til qubits utføres av akustoelelektriske oscillerende moduser i membranene til nevroner. Arbeidets hovedoppgave er å underbygge oppgaven som hjernen er en kvantedatamaskin hvis qubits er koherente oscillasjoner av nevronale membraner.

Sammen med polarisering og fase er en annen parameter for hypersoniske bølger i nevronale membraner som kan brukes til å danne qubits vri (dette er 5^{og jeg} karakteristisk for bølger, som reflekterer tilstedeværelsen av banevinkelmomentum).

Opprettelsen av virvlende bølger utgjør ingen spesielle vanskeligheter: for dette må spiralstrukturer eller defekter være tilstede på grensen til Ranvier-avskjæringene og myelinregionene. Sannsynligvis eksisterer slike strukturer og defekter (og selve myelinskjedene er spiralformede).

I følge den foreslåtte modellen er den viktigste informasjonsbæreren i hjernen den hvite substansen i hjernen (myelinskjeder), og ikke den grå substansen, slik man i dag tror. Myelinskjedene tjener ikke bare til å øke forplantningshastigheten av handlingspotensialer, men også hovedbæreren av hukommelse og bevissthet: det meste av informasjonen behandles i det hvite, og ikke i den grå substansen i hjernen.

Innenfor rammen av den foreslåtte modellen av hjernens informasjonssystem, finner det psykofysiske problemet som Descartes utgjør en løsning: «Hvordan forholder kropp og ånd seg i en person?», med andre ord, hva er forholdet mellom materie og bevissthet?

Svaret er som følger: ånd eksisterer i Hilbert-rommet, men er skapt av kvante-qubits dannet av materielle partikler som eksisterer i rom-tid.

Moderne teknologi er i stand til å reprodusere strukturen til det aksonale nettverket i hjernen og sjekke om hypersoniske vibrasjoner faktisk genereres i dette nettverket, og deretter lage en kvantedatamaskin der disse vibrasjonene vil bli brukt som qubits.

Over tid vil kunstig intelligens basert på en akustoelelektrisk kvantedatamaskin kunne overgå de kvalitative egenskapene til menneskelig bevissthet. Dette vil gjøre det mulig å ta et fundamentalt nytt skritt i menneskets evolusjon, og dette trinnet vil bli gjort av bevisstheten til personen selv.

Tiden er inne for å begynne å implementere den endelige arbeidsoppgaven [2]: "I fremtiden er det mulig å lage en nevrodatamaskin som vil operere på de samme fysiske prinsippene som den menneskelige hjernen.".

konklusjoner

1. I membranene til nevroner er det koherente akustoelelektriske svingninger: disse svingningene genereres i samsvar med den akustiske lasereffekten i avskjæringen av Ranvier og forplanter seg inn i myelinskjedene

2. Koherente akustoelelektriske svingninger i myelinskjedene til nevroner utfører funksjonen til qubits, på grunnlag av hvilke informasjonssystemet i hjernen fungerer etter prinsippet om en kvantedatamaskin

3. I de kommende årene er det mulig å lage kunstig intelligens, som er en kvantedatamaskin som opererer etter de samme fysiske prinsippene som informasjonssystemet i hjernen 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