giantinders: Наука

С помощью ракеты-носителя «Антарес» компании Orbital ATK аэрокосмическое агентство NASA отправило к Международной космической станции оборудование для проведения эксперимента по экстремальному охлаждению материи. Проект Cold Atom Laboratory («Лаборатория холодного атома», CAL) предназначен для достижения температуры, которая в 10 миллиардов раз ниже температуры вакуума. Это необходимо для получения конденсата Бозе — Эйнштейна — группы из большого числа атомов, которые проявляют квантовые свойства на макроскопическом уровне.

Эксперимент состоит из нескольких инструментов, таких как короб, лазеры, вакуумная камера и электромагнитный «нож». Все это предназначено для работы с атомами, а именно — для их охлаждения до температуры, наиболее близкой к абсолютному нулю, чем когда-либо. В случае успеха эксперимент поможет максимально замедлить их скорость на самый длительный на данный момент срок.
При абсолютном нуле, равном -273,15 градуса Цельсия (0 кельвинов), атомы вещества полностью прекращают двигаться, что, однако, недостижимо на практике из-за нулевых колебаний — квантовых флуктуаций, проявляющихся при достижении системой минимального энергетического состояния. Такой эффект наблюдается при создании конденсата Бозе — Эйнштейна, состоящего из бозонов — частиц, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние, то есть становиться неразличимыми с точки зрения экспериментатора. Поскольку все частицы способны достигнуть минимального энергетического уровня, весь конденсат перестает взаимодействовать с атомами окружающего вещества, в результате чего, например, исчезает сила трения и возникает сверхтекучесть.
Микрогравитация на борту МКС позволит проводить наблюдения за конденсатом Бозе — Эйнштейна в течение рекордно долгого периода времени — 10 секунд.
«Исследование этих гиперхолодных атомов может перевернуть наше понимание материи и фундаментальной природы гравитации. Эксперименты, которые мы проведем с CAL, помогут нам лучше понять гравитацию и темную энергию — одни из наиболее распространенных сил во Вселенной», — прокомментировал Роберт Томпсон, ученый проекта CAL в Лаборатории реактивного движения NASA.
Квантовые эффекты, которые проявляются в конденсате Бозе — Эйнштейна, в том числе сверхтекучесть, могут применяться для эффективной передачи энергии и создания сверхпроводимых устройств, а также квантовых компьютеров и сверхточных атомных часов с лазерным охлаждением.
Cold Atom Laboratory запустили на борту частного грузового космического корабля Cygnus в понедельник, 21 мая. Помимо этого, на МКС было отправлено оборудование для секвенирования геномов микробов, обнаруженных на борту МКС, а также ручной секстант для определения положения станции по звездам.

Есть гипотеза, точнее множество гипотез, согласно которым наш мозг представляет собой не что иное, как биохимический квантовый компьютер. В основе этих идей лежит предположение о том, что сознание необъяснимо на уровне классической механики и может быть объяснено только с привлечением постулатов квантовой механики, явлений суперпозиции, квантовой запутанности и других. Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре через серию экспериментов решили выяснить — действительно ли наш мозг является квантовым компьютером.

На первый взгляд может показаться, что компьютер и мозг работают одинаково – оба обрабатывают информацию, могут ее сохранять, принимают решения, а также имеют дело с интерфейсами ввода и вывода. В случае мозга этими интерфейсами выступают наши органы чувств, а также способность управлять различными объектами, не являющимися частью нашего тела, например, искусственными протезами.
Мы многого не знаем о том, как работает наш мозг. Но есть люди, которые считают, что многообразие процессов работы нашего мозга, которое невозможно объяснить с точки зрения классической механики, можно объяснить с позиции квантовой механики. Другими словами, они уверены, что такие аспекты квантовой механики, как квантовая запутанность, явление суперпозиции и все остальные вещи, на основе которых работает квантовая физика, на самом деле могут управлять процессами работы нашего мозга. Разумеется, не все согласны с такой формулировкой, но так или иначе ученые решили это проверить.
«Если вопрос о квантовых процессах, происходящих в мозге, найдет положительный отклик, то это приведет к настоящей революции в нашем понимании и лечении мозговых функций и когнитивных способностей человека», — говорит Мэт Хелгесон из Калифорнийского университета Санта-Барбары и один из участников команды, занимающейся данным исследованием.
Немного базовой теории. В мире квантовых вычислений все подчиняется квантовой механике, позволяющей объяснить поведение и взаимодействие самых крошечных объектов во Вселенной — на квантовом уровне, где не действуют правила классической физики. Одной из ключевых особенностей квантовых вычислений является использование так называемых кубитов (квантовых битов) в качестве носителя информации. В отличие от обычных битов, которые используются в обычных компьютерах и представляют собой двоичный код в виде «нулей» и «единиц», кубиты могут одновременно приобретать значения и нуля, и единицы, то есть находиться в так называемой суперпозиции, которая упоминалась выше.
Если исходить из вышеописанного, то квантовые компьютеры обещают просто невероятный потенциал в компьютерных вычислениях, который позволит справляться с задачами (в том числе и в науке), на которые не способны даже самые мощные, но при этом обычные компьютеры.
Что же касается нового исследования ученых из Калифорнийского университета, которое вот-вот начнется, то оно будет направлено на поиск «мозговых кубитов».
Одной из основных особенностей «обычных» кубитов является то, что для их работы требуется среда с очень низкой температурой, приближающейся к абсолютному нулю, однако исследователи предполагают, что это правило может не распространяться на кубиты, которые могут находиться в человеческом организме.
В рамках одного из грядущих экспериментов ученые постараются выяснить, можно ли хранить кубиты внутри спина атомного ядра, а не среди электронов, которые его окружают. В частности, объектом исследования должны будут стать атомы фосфора — вещества, содержащегося в наших организмах, — по мнению ученых, способных играть роль биохимических кубитов.
«Тщательно изолированные спины ядер могут хранить и, возможно, обрабатывать квантовую информацию в течение часов или даже большего времени», — говорит один из участников исследования, Мэтью Фишер.
В рамках других экспериментов ученые хотят взглянуть на потенциал декогеренции, которая происходит в результате нарушения связей между кубитами. Во время протекания этого процесса у самой квантовой системы начинают появляться классические черты, которые соответствуют информации, имеющейся в окружающей среде. Другими словами, квантовая система начинает смешиваться или запутываться с окружающей средой. Для того чтобы наш мозг можно было рассматривать в качестве квантового компьютера, в нем должна иметься система, которая позволяла бы защищать наши биологические кубиты от этой декогеренции.
Задачей еще одного эксперимента станет исследование митохондрий – клеточных субъединиц, отвечающих за наш метаболизм и передачу энергии внутри нашего организма. Ученые предполагают, что эти органеллы могут играть существенную роль в квантовой запутанности и обладать квантовой связью с нейронами.
В общем и целом нейромедиаторы (активные химические вещества, с помощью которых происходит перенос электрохимических импульсов) между нейронами и синаптические связи, возможно, создают в нашем мозге объединенные квантовые сети. Фишер и его команда хотят это проверить, попытавшись воспроизвести такую систему в лабораторных условиях.
Процессы квантовых вычислений, если они действительно присутствуют в нашем мозге, помогут нам объяснить и понять самые загадочные его функции, например, его способность переводить память из кратковременной в долговременную, или же приблизиться к понимаю вопросов о том, откуда же на самом деле берутся наши сознание, осознание и эмоции.
Все это – очень высокий уровень, очень сложная физика, наряду с биохимией, поэтому здесь никто не будет гарантировать, что мы сможем получить все ответы на поставленные выше вопросы. Даже если окажется, что мы пока еще не достигли нужного уровня, который позволил бы нам ответь на вопрос о том, является ли наш мозг квантовым компьютером, запланированные исследования могут привнести большой вклад в понимание того, как работает самый сложный орган человека.