Por que você deve se preocupar com a neurociência quântica

Caso você não tenha ouvido falar, a ciência quântica está em alta agora, com conversas animadas sobre computadores quânticos inimaginavelmente poderosos, comunicação quântica ultraeficiente e segurança cibernética impenetrável por meio de criptografia quântica.

Por que todo esse hype?

Simplificando, a ciência quântica promete saltos gigantescos em vez dos passos de bebê aos quais nos acostumamos por meio da ciência cotidiana. A ciência cotidiana, por exemplo, nos dá novos computadores que dobram de potência a cada 2-3 anos, enquanto a ciência quântica promete computadores com muitos trilhões de vezes mais potência do que o computador mais robusto disponível hoje.

Em outras palavras, a ciência quântica, se bem-sucedida, produzirá uma mudança sísmica na tecnologia que remodelará o mundo como o conhecemos, de maneiras ainda mais profundas do que a Internet ou os smartphones.

Todas as possibilidades de tirar o fôlego da ciência quântica surgem de uma verdade simples: os fenômenos quânticos quebram completamente as regras que limitam o que os fenômenos “clássicos” (normais) podem realizar.

Dois exemplos em que a ciência quântica torna o que antes era impossível repentinamente possível são a superposição quântica e o emaranhamento quântico.

Vamos abordar a superposição quântica primeiro.

No mundo normal, um objeto como uma bola de beisebol só pode estar em um lugar por vez. Mas no mundo quântico, uma partícula como um elétron pode ocupar um número infinito de lugares ao mesmo tempo, existindo no que os físicos chamam de superposição de múltiplos estados. Portanto, no mundo quântico, uma coisa às vezes se comporta como muitas coisas diferentes.

Agora vamos examinar o emaranhamento quântico estendendo a analogia do beisebol um pouco mais. No mundo normal, duas bolas de beisebol sentadas em armários escuros em estádios da liga principal em Los Angeles e Boston são totalmente independentes uma da outra, de modo que se você abrisse um dos armários para olhar para uma bola de beisebol, absolutamente nada aconteceria com a outra em um armário escuro a 3.000 milhas de distância. Mas no mundo quântico, duas partículas individuais, como os fótons posso ser emaranhado, de modo que o mero ato de sentir um fóton com um detector força instantaneamente o outro fóton, não importa a distância, a assumir um estado particular.

Tal emaranhamento significa que, no universo quântico, várias entidades distintas podem às vezes se comportar como uma única entidade, não importa quão distantes estejam as entidades distintas.

Isso seria o equivalente a mudar o estado de uma bola de beisebol - digamos, forçando-a a ficar na prateleira superior vs. inferior de um armário de armazenamento - simplesmente abrindo um armário de armazenamento a 3.000 milhas de distância e olhando para um diferente beisebol.

Esses comportamentos “impossíveis” tornam as entidades quânticas ideais para fazer o impossível com, por exemplo, computadores. Em computadores normais, um bit de informação armazenado é zero ou um, mas em um computador quântico, um bit armazenado, chamado Qubit (bit quântico), é zero e um ao mesmo tempo. Assim, onde um armazenamento de memória simples de 8 bits pode conter qualquer número individual de 0 a 255 (2 ^ 8 = 256), uma memória de 8 Qubits pode armazenar 2 ^ 8 = 256 números separados tudo de uma vez! A capacidade de armazenar exponencialmente mais informações é o motivo pelo qual os computadores quânticos prometem um salto quântico no poder de processamento.

No exemplo acima, uma memória de 8 bits em um computador quântico armazena 256 números entre 0 e 255 de uma só vez, enquanto uma memória de 8 bits em um computador comum armazena apenas 1 número entre 0 e 255 de cada vez. Agora imagine uma memória quântica de 24 bits (2 ^ 24 = 16.777.216) com apenas 3 vezes mais Qubits do que nossa primeira memória: ela poderia armazenar um enorme 16.777.216 números diferentes de uma vez!

O que nos leva à interseção da ciência quântica e da neurobiologia. O cérebro humano é um processador muito mais poderoso do que qualquer computador disponível hoje: ele alcança parte desse poder incrível aproveitando a estranheza quântica da mesma forma que os computadores quânticos o fazem?

Até muito recentemente, a resposta dos físicos a essa pergunta tem sido um retumbante “Não”.

Os fenômenos quânticos, como a superposição, dependem do isolamento desses fenômenos do ambiente circundante, particularmente o calor no ambiente que coloca as partículas em movimento, perturbando o hiperbélido castelo de cartas quânticas de superposição e forçando uma partícula específica a ocupar o ponto A ou o ponto B , mas nunca os dois ao mesmo tempo.

Assim, quando os cientistas estudam os fenômenos quânticos, eles vão longe para isolar o material que estão estudando do ambiente circundante, geralmente reduzindo a temperatura em seus experimentos para quase zero absoluto.

Mas as evidências estão crescendo no mundo da fisiologia vegetal de que alguns processos biológicos que dependem da superposição quântica ocorrem em temperaturas normais, aumentando a possibilidade de que o mundo inimaginavelmente estranho da mecânica quântica possa de fato se intrometer no funcionamento diário de outros sistemas biológicos, como o nosso sistema nervoso.

Por exemplo, em maio de 2018, uma equipe de pesquisa da Universidade de Groningen, que incluía o físico Thomas la Cour Jansen, encontrou evidências de que as plantas e algumas bactérias fotossintéticas alcançam quase 100% de eficiência na conversão de luz solar em energia utilizável, explorando o fato de que a absorção de energia solar causa alguns elétrons em moléculas de captura de luz existam simultaneamente em estados quânticos excitados e não excitados, espalhados por distâncias relativamente longas dentro da planta, permitindo que os elétrons excitados com luz encontrem o caminho mais eficiente das moléculas onde a luz é capturada para diferentes moléculas onde a energia utilizável pois a planta é criada.

A evolução, em sua busca incansável para projetar as formas de vida mais eficientes em termos de energia, parece ter ignorado a crença dos físicos de que efeitos quânticos úteis não podem acontecer nos ambientes quentes e úmidos da biologia.

A descoberta dos efeitos quânticos na biologia vegetal deu origem a um campo da ciência inteiramente novo chamado biologia quântica. Nos últimos anos, os biólogos quânticos descobriram evidências de propriedades da mecânica quântica na percepção do campo magnético nos olhos de alguns pássaros (permitindo que os pássaros naveguem durante a migração) e na ativação de receptores olfativos em humanos. Os pesquisadores da visão também descobriram que os fotorreceptores na retina humana são capazes de gerar sinais elétricos a partir da captura de um único quanta de energia luminosa.

A evolução também tornou nossos cérebros hipereficientes na geração de energia utilizável ou na transmissão e armazenamento de informações entre os neurônios usando efeitos quânticos, como superposição e emaranhamento?

Os neurocientistas estão no início da investigação dessa possibilidade, mas eu, pelo menos, estou entusiasmado com o campo nascente da neurociência quântica, porque isso poderia levar a avanços de cair o queixo em nossa compreensão do cérebro.

Digo isso porque a história da ciência nos ensina que os maiores avanços quase sempre vêm de ideias que, antes de ocorrer um avanço específico, parecem incrivelmente estranhas. A descoberta de Einstein de que espaço e tempo são realmente a mesma coisa (relatividade geral) é um exemplo, a descoberta de Darwin de que os humanos evoluíram de formas de vida mais primitivas é outro. E, claro, a descoberta da mecânica quântica de Planck, Einstein e Bohr em primeiro lugar, é ainda outra.

Tudo isso implica fortemente que as ideias por trás dos avanços da neurociência para a mudança do jogo de amanhã parecerão, hoje, para a maioria das pessoas, altamente heterodoxas e improváveis.

Agora, só porque a biologia quântica no cérebro parece estranha e improvável, isso não a qualifica automaticamente como a fonte do próximo salto gigante na neurociência. Mas tenho um palpite de que uma compreensão mais profunda dos efeitos quânticos nos sistemas vivos produzirá novos insights importantes sobre nossos cérebros e sistemas nervosos, se não por outra razão, que adotar um ponto de vista quântico fará com que os neurocientistas procurem respostas estranhas e lugares maravilhosos que eles nunca pensaram em investigar antes.

E quando os investigadores olham para esses fenômenos estranhos e maravilhosos, esses fenômenos, podem, como seus primos enredados na física de partículas, olhar para trás para eles!