Сознание как проявление квантового мира и человеческий мозг в качестве квантового компьютера

Квантовая информация и работа сознания находят друг друга

Подобно ли мышление работе квантового компьютера? Является ли сознание проявлением квантовых эффектов на макроскопическом уровне? Служат ли биологические молекулы посредниками между квантовым миром и генетическим кодом? Вот далеко не полный перечень вопросов, которые волнуют многих выдающихся мыслителей современности. Почему именно молекулярная биология и нейрофизиология становятся сегодня столь привлекательными для специалистов в области квантовой механики, теории поля, топологии, геометрии, квантовых компьютеров? Ответ кроется в поиске посредников, изначально оперирующих с запутанными состояниями.

Мы не знаем, где находится сознание, равно как и где находится электрон. Согласно квантовой механике, электрон не имеет траектории, его местоположение возникает в момент наблюдения, т. е. взаимодействия с наблюдателем. Поэтому если мы принимаем квантовый подход к сознанию, то наблюдаем явную аналогию с электроном, т. е. квантовым миром, которому он принадлежит. Сознание не имеет локализации в пространстве. Локализация возникает в момент «наблюдения», т. е. взаимодействия сознания с мозгом. Эти соображения уходят корнями в известный принцип психофизического параллелизма фон Неймана. Р. Пенроуз, английский физик-теоретик, считает [13], что любая квантовая система (например, группа атомов в составе белка или атомов водорода, формирующих водородные связи между цепочками нуклеотидов в составе ДНК) представляет собой не одно состояние, а суперпозицию состояний, которая существует изначально. Как только мы попытаемся измерить эти состояния, они тотчас «схлопываются» до одного — происходит так называемый коллапс (редукция) волновой функции (переход когерентного состояния в смешанное).

Поясним суть редукции волновой функции на следующем примере. Предположим, что мы имеем квантовую систему, состояние которой описывается вектором состояния |Ф). Мы имеем также измерительный прибор, например мозг, измеряющий некий параметр Р и способный при этом различить два альтернативных значения Р — р_х и р₂. Если |Ф) не является собственной функцией оператора данной наблюдаемой Р, то согласно квантовой механике мы не можем заранее предсказать результаты измерения. Квантовая механика в этом случае дает лишь вероятностные предсказания. Зная |Ф), мы можем заранее вычислить, с какой вероятностью будем наблюдать при многократном повторении данного измерения значения р_{ и р₂. Для вычисления этих вероятностей согласно стандартной теории измерения мы должны разложить |Ф) по базису, образованному собственными функциями оператора измеряемой величины. В нашем примере величина принимает два значения — /?, и р_ъ следовательно, имеются только две соответствующие этим значениям собственные функции — ф_{) и |ф₂). Таким образом, мы должны представить |Ф) в виде суперпозиции: |Ф)>= с^ф,) + + с₂|ф₂), где c_t и с₂ — комплексные числа. Вероятность получить значения р_{ и р₂ будут равны соответственно |cj² и |с₂|², а сама квантовая система после измерения в зависимости от его результата будет находиться или в состоянии |(J)!), или в состоянии |ф₂). Таким образом, по окончании измерения мы должны вычеркнуть в исходной суперпозиции |Ф) = с^ф^ + с₂|ф₂) либо компоненту |(|)_t) (если результат соответствует р₂), либо компоненту |ф₂) (если результат соответствует р_{). Это и есть процедура «редукции волновой функции».

В трактовке Пенроуза схлопывание представляет собой результат эволюции амплитуд вероятности, которые, сближаясь во времени, становятся похожими на некоторое классическое состояние, которое испытывают гравитационное воздействие, приводящее к появлению единственного состояния из множества квантовых. Квантовая гравитация в трактовке Пенроуза допускает реализацию квантовых эффектов на больших расстояниях, т. е. объясняет нелокальность. В частности, нелокальными свойствами, по его мнению, обладают квазикристаллы (в том числе и вода), в которых отдельный атом «чувствует» влияние всех других атомов, в совокупности образующих своеобразный оркестр (оркестровка Пенроуза), который продолжает «звучать», даже если отдельные оркестранты замолкают.

Идеи Пенроуза нашли отклик у многих его последователей, среди которых особо следует выделить американского мыслителя С. Гамерова, возглавляющего в настоящее время Центр по изучению сознания в штате Аризона, США. В основе близости работы сознания и передачи квантовой информации лежит известный факт сложности иерархической структуры нейроклеток, через которые осуществляется передача сигналов (нейрокомпьютинг). Предположим, что мы имеем дело с трехкубитным состоянием |000>, |001>, |010>, |011 >, |100>, |101>, |110>, |111>, описываемым восьмимерным вектором с коэффициентами а, b, с, d_y e, f, g, h, причем a² + + ² + … + h² = 1. При попытке намерить это состояние мы получаем трехбитовую последовательность (в квантовом компьютинге ее называют струной). Вероятность реализации струны оказывается следующей: 000 = а², 001 = Ь² и т. д. Таким образом, квантовое состояние коллапсирует (редуцирует) на классическое состояние с классическими вероятностями обнаружения этого состояния: (а², ²,…, h²). До коллапса трехкубитные состояния были запутаны, после коллапса они восстановились до привычных классических состояний.

Примерно аналогичным образом работают нейроклетки, или нейроны. Считается, что в запутанные состояния вовлечены примерно 10 млн нейронов. Переключения между квантовыми потоками осуществляют синапсы, которые служат квантовыми логическими переключателями между потоками квантовой информации, обрабатываемой на различных уровнях иерархии нейросистемы. На рис. 6.5 приведена биологическая схема работы квантового нейрокомпьютера [30].

Рис. 6.5. Нейронная квантовая сеть, состоящая из каналов возбуждения (стрелка —") и гашения (стрелка н").

Сигналы между нейронами проходят благодаря синапсам. Различают электрические и химические синапсы в зависимости от способа их возбуждения (firing). Высвобождение и прием квантовой информации происходит как раз на синапсах (рис. 6.6).

Чтобы предотвратить редукцию сигнала (коллапс волновой функции) до наступления нужного момента, прохождение квантовой информации необходимо оградить от декогеренции. В нейроклетках когеренция сохраняется благодаря наличию микротрубочек — полых цилиндров с внешним диаметром 24 нм и внутренним диаметром 12 нм (рис. 6.7). Основным строительным материалом микротрубочек (рис. 6.8, а) служит тубулин — белковый гетеродимер, составленный из зацепленных между собой а-, [3-субъединиц (рис. 6.8, 6). Квантовая запутанность и ее передача происходят в полости микротрубочек, защищенных от внешней декогеренизирующей среды с помощью стенок.

Рис. 6.6. Предсинаптическая клетка (слева) испускает квантовый сигнал (показан точками), который затем воспринимается рецептором постсинаптической клетки (справа).

Рис. 6.7. Микроэлектронная фотография микротрубочек со срезов головного мозга:

микротрубочки видны в виде продольных волокон, соединенных тяжами из специальных белков, известных в литературе как МАПы (от англ. Microtubule Associated Proteins). МАПы инертны и служат в клетках в качестве стабилизаторов микротрубочек, не влияя на их функцию хранителя и передатчика квантовой информации.

Рис. 6.8. Строение микротрубочки (а) и гетеродимера тубулина (б):

справа на рис. (б) показан а-мономер, слева — р-мономер; вкрапления на а-мономере соответствуют МАПам Сознание проявляется в виде коллапса оркестрируемых квантовых состояний, генерируемых по всему объему или части объема микротрубочек, на одном из синаптических центров.