Книга: Наша математическая вселенная

Почему ваш мозг — не квантовый компьютер

Почему ваш мозг — не квантовый компьютер

«Сэр Роджер Пенроуз некогерентен,[46] и Макс Тегмарк утверждает, что может это доказать». Ничего себе! Я прочёл первую строчку заметки в журнале «Сайенс» от 4 февраля 2000 года и почувствовал, что меня застали врасплох. Я никогда не называл знаменитого математического физика некогерентным, но журналистам по душе скандалы и каламбуры, а я написал статью (http://arxiv.org/pdf/gr-qc/9 310 032.pdf), в которой показал, что одна из идей Пенроуза неверна из-за декогеренции.

В последние годы наблюдается всплеск интереса к квантовым компьютерам, которые могли бы использовать причуды квантовой механики для ускоренного решения некоторых задач. Допустим, вы купили эту книгу в интернет-магазине. Номер вашей кредитной карты был зашифрован методом, который основан на том факте, что перемножение двух 300-значных простых чисел делается быстро, а разложение на множители получившегося 600-значного числа осуществить трудно, и с лучшими современными компьютерами это заняло бы времени больше, чем возраст нашей Вселенной. Если удастся построить большой квантовый компьютер, хакеры смогут с помощью квантового алгоритма, изобретённого моим коллегой по Массачусетскому технологическому институту Питером Шором, очень быстро найти ответ и украсть ваши деньги. Как утверждает пионер квантовых вычислений Дэвид Дойч, «квантовые компьютеры распределяют информацию по огромному числу версий самих себя в мультиверсе» и могут быстрее получить ответ здесь, в нашей Вселенной, в известном смысле, получая помощь от тех, других версий. Квантовый компьютер может также эффективно моделировать поведение атомов и молекул, заменяя измерения в химических лабораториях таким же образом, как моделирование на обычных компьютерах заменило измерения в аэродинамических трубах. Многие современные компьютеры действуют быстрее за счёт параллельной работы множества процессов. О квантовом компьютере можно думать как об идеальном параллельном компьютере, использующем мультиверс III уровня в качестве вычислительного ресурса и, в некотором смысле, запускающем параллельные вычисления в параллельных вселенных.

Прежде чем строить такую машину, надо справиться с огромными инженерными проблемами, такими как достаточно надёжная изоляция квантовой информации, чтобы декогеренция не разрушала квантовые суперпозиции. Здесь ещё предстоит сделать очень многое: в то время как компьютер в сотовом телефоне хранит, вероятно, миллиарды битов информации (нулей и единиц), самые совершенные квантовые компьютеры в лабораториях мира могут хранить лишь по несколько штук. Однако Пенроуз и другие выдвинули шокирующее предположение: возможно, у вас уже есть квантовый компьютер — в голове! Они предположили, что наши мозги (по крайней мере некоторые) являются квантовыми компьютерами и что это ключевой момент для понимания природы сознания.

Поскольку декогеренция нарушает квантовые эффекты, я решил применить те самые формулы для декогеренции, с которыми меня опередили, для проверки идеи Пенроуза. Сначала я выполнил расчёты для нейронов (рис. 8.7), нервных клеток, которые, подобно проводам, передают электрические сигналы в мозге. Нейроны тонкие и длинные: если вы выложите свои нейроны один за другим, они обогнут Землю около 4 раз. Нейроны передают электрические сигналы, перемещая атомы натрия и калия, у каждого из которых не хватает электрона (а потому они несут положительный электрический заряд). Если подключить отдыхающий нейрон к вольтметру, тот определит, что напряжение между внутренней и наружной областями клетки составляет 0,07 В. Если одно из окончаний нейрона снизит это напряжение, в клеточной мембране откроются чувствительные к напряжению каналы, заряженные атомы натрия начнут проходить по ним, напряжение снизится ещё сильнее, и поток атомов усилится. Это цепная реакция, называемая разрядом, распространяется по всей длине нейрона со скоростью до 300 км/ч, пропуская внутрь клетки около миллиона атомов натрия. Аксон вскоре восстанавливается, и быстрые нейроны могут повторять этот процесс разряда более тысячи раз в секунду.

Рис. 8.7. Схематическое изображение нейрона (слева), участка его длинного отростка, называемого аксоном (посередине) и фрагмента мембраны аксона (справа). Большая доля площади аксона покрыта непроводящим веществом миелином, но на нём есть небольшие оголённые участки (примерно каждые полмиллиметра), где концентрируются чувствительные к электрическому напряжению натриевые и калиевые каналы. Когда нейрон находится в суперпозиции состояний возбуждения и покоя, около 1 млн атомов натрия (Na) находится в суперпозиции состояний внутри и снаружи клетки (справа).

Теперь предположим, что мозг — действительно квантовый компьютер и разряд нейронов каким-либо образом вовлечён в эти вычисления. Тогда отдельный нейрон должен быть способен находиться в суперпозиции выдавшего и не выдавшего разряд, а значит, около миллиона атомов натрия должны находиться в двух местах одновременно — внутри и снаружи нейрона. Квантовый компьютер работает лишь постольку, поскольку его состояние остаётся тайной для мира. Так долго ли нейрон может хранить в секрете, выдал он разряд или нет? Когда я подставил числа, ответ получился — «очень недолго»: около десяти миллиардных долей триллионной доли секунды (10^–20 с). Столько времени обычно проходит, прежде чем случайная молекула воды столкнётся с одним из миллиона атомов натрия и обнаружит себя, тем самым разрушив квантовую суперпозицию. Я также обсчитал другую модель Роджера Пенроуза, в которой квантовые вычисления выполняются не нейронами, а микротубулами, элементами цитоскелета клеток, и обнаружил, что они поддаются декогеренции примерно за 10^–13 секунды (100 квадриллионных долей). Чтобы мои мысли соответствовали квантовым вычислениям, они должны завершаться прежде, чем случится декогеренция, так что мне следует думать со скоростью 10 000 000 000 000 мыслей в секунду. Может быть, Пенроуз умеет думать так быстро, а я нет.

На самом деле не удивительно, что мозг не работает подобно квантовому компьютеру. Мои коллеги, которые пытаются построить квантовый компьютер, ведут затяжную войну с декогеренцией и обычно изолируют свои устройства в холодном тёмном вакууме, чтобы сохранить их состояние в секрете от остального мира, в то время как мозг — тёплое влажное место, отделы которого не изолированы. Однако некоторые остались недовольны моей статьёй, и я получил первый опыт научной полемики. Стюарт Хамерофф, один из авторов концепции квантового сознания, заявил, что я «подбросил зловонную бомбу на это исследовательское поле» и доставил массу проблем исследователям квантового сознания. «Вы что, наёмный убийца от научной ортодоксии?» — спрашивал он меня.

Меня это изрядно повеселило, поскольку обычно я сам склонен противостоять научной ортодоксии и инстинктивно поддерживаю слабейшую сторону, тех, кто придерживается нетрадиционных идей. Кроме того, я не делал эти расчёты в надежде на конкретный результат, а просто разбирался, каким будет ответ. На самом деле, я был бы счастлив, если бы пришёл к противоположному заключению, поскольку было бы по-настоящему прикольно иметь собственный квантовый компьютер. Вместе с двумя соавторами Хамерофф опубликовал возражения к моей статье, которые, как я чувствовал, были ошибочными,[47] и я не мог избавиться от ощущения, что порой учёные прикипают к идее почти с религиозным жаром, так что никакие факты не могут их разубедить. Неужели все эти нагромождения специальной терминологии были всего лишь попыткой рационализировать тезис: «Сознание — это загадка, и квантовая механика — это загадка, так что они должны быть связаны»?

В 2009 году в Нью-Йорке я наконец встретил Стюарта Хамероффа. Он оказался очень общительным и дружелюбным человеком. Мы пообедали вместе и, что интересно, не нашли ни одной выкладки или измерения, по поводу которых не были бы согласны друг с другом. Мы решили, что дело в разном понимании того, как всё это относится к сознанию.