Neuronale Qubits oder wie der Quantencomputer des Gehirns funktioniert

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Die physikalischen Prozesse, die in den Membranen von Neuronen im Hyperschallbereich ablaufen, sind angegeben. Es wird gezeigt, dass diese Prozesse als Grundlage für die Bildung von Schlüsselelementen (Qubits) eines Quantencomputers, dem Informationssystem des Gehirns, dienen können. Es wird vorgeschlagen, einen Quantencomputer zu entwickeln, der auf denselben physikalischen Prinzipien basiert, nach denen das Gehirn arbeitet.

Das Material wird als Hypothese präsentiert.

Einführung. Formulierung des Problems

Diese Arbeit soll den Inhalt des abschließenden (Nr. 12) Fazits der vorherigen Arbeit [1] offenbaren: „Das Gehirn funktioniert wie ein Quantencomputer, bei dem die Funktion von Qubits durch kohärente akustoelektrische Schwingungen von Abschnitten der Myelinscheiden von Neuronen übernommen wird und die Verbindung zwischen diesen Abschnitten durch nicht-lokale Interaktion durch das NR. erfolgt¹-Direkte ".

Der Grundgedanke, der dieser Schlussfolgerung zugrunde liegt, wurde vor einem Vierteljahrhundert in der Zeitschrift „Radiofizika“[2] veröffentlicht. Der Kern der Idee war, dass in getrennten Abschnitten von Neutronen, nämlich in den Interzeptionen von Ranvier, kohärente akustoelektrische Schwingungen mit einer Frequenz von ~ 5 * 10. erzeugt werden¹⁰Hz, und diese Schwankungen dienen als Hauptinformationsträger im Informationssystem des Gehirns.

Dieses Papier zeigt, dass akustoelektrische Schwingungsmoden in den Membranen von Neuronen können als Quantencomputer die Funktion von Qubits übernehmen, auf deren Grundlage die Arbeit des Informationssystems des Gehirns aufgebaut ist.

Zielsetzung

Diese Arbeit hat 3 Ziele:

1) auf die Arbeit [2] aufmerksam zu machen, in der vor 25 Jahren gezeigt wurde, dass kohärente Hyperschallschwingungen in den Membranen von Neuronen erzeugt werden können, 2) beschreiben ein neues Modell des Gehirninformationssystems, das auf dem Vorhandensein kohärenter Hyperschallschwingungen in den Membranen von Neuronen basiert, 3) einen neuen Typ von Quantencomputer vorzuschlagen, dessen Arbeit die Arbeit des Informationssystems des Gehirns maximal simuliert.

Der Inhalt der Arbeit

Der erste Abschnitt beschreibt den physikalischen Mechanismus der Erzeugung kohärenter akustoelektrischer Schwingungen in den Membranen von Neuronen mit einer Frequenz in der Größenordnung von 5 * 10¹⁰Hz.

Der zweite Abschnitt beschreibt die Prinzipien des Informationssystems des Gehirns, das auf kohärenten Schwingungen basiert, die in den Membranen von Neuronen erzeugt werden.

Im dritten Abschnitt wird vorgeschlagen, einen Quantencomputer zu entwickeln, der das Informationssystem des Gehirns simuliert.

I. Die Natur kohärenter Schwingungen in den Membranen von Neuronen

Die Struktur eines Neurons wird in jeder Monographie über Neurowissenschaften beschrieben. Jedes Neuron enthält einen Hauptkörper, viele Fortsätze (Dendriten), über die es Signale von anderen Zellen empfängt, und einen langen Fortsatz (Axon), über den es selbst elektrische Impulse (Aktionspotentiale) aussendet.

In Zukunft werden wir ausschließlich Axone betrachten. Jedes Axon enthält Bereiche von 2 Typen, die sich gegenseitig abwechseln:

1. Ranviers Abfangen, 2. Myelinscheiden.

Jedes Abfangen von Ranvier ist zwischen zwei myelinisierten Segmenten eingeschlossen. Die Länge des Abfangens von Ranvier ist 3 Größenordnungen kürzer als die Länge des Myelinsegments: die Länge des Abfangens von Ranvier beträgt 10^-4cm (ein Mikrometer) und die Länge des Myelinsegments beträgt 10^-1cm (ein Millimeter).

Ranviers Interceptions sind die Stellen, an denen Ionenkanäle eingebettet sind. Durch diese Kanäle werden die Na-Ionen⁺ und K⁺ dringen in das Axon ein und aus ihm heraus, was zur Bildung von Aktionspotentialen führt. Derzeit wird angenommen, dass die Bildung von Aktionspotentialen die einzige Funktion von Ranviers Abfangen ist.

In der Arbeit [2] wurde jedoch gezeigt, dass Ranviers Interceptions eine weitere wichtige Funktion erfüllen können: in den Interzeptionen von Ranvier werden kohärente akustoelektrische Schwingungen erzeugt.

Die Erzeugung kohärenter akustoelektrischer Schwingungen erfolgt aufgrund des akustoelektrischen Lasereffekts, der in den Interceptions von Ranvier realisiert wird, da beide notwendigen Bedingungen für die Umsetzung dieses Effektes erfüllt sind:

1) das Vorhandensein von Pumpen, durch die Schwingungsmoden angeregt werden, 2) das Vorhandensein eines Resonators, durch den die Rückkopplung erfolgt.

1) Das Pumpen erfolgt durch Ionenströme Na⁺ und K⁺fließt durch die Interceptions von Ranvier. Aufgrund der hohen Dichte der Kanäle (10¹² cm^-2) und ihren hohen Durchsatz (10⁷ ion / sec) ist die Dichte des Ionenstroms durch die Interceptions von Ranvier extrem hoch. Die den Kanal passierenden Ionen regen die Schwingungsmoden der Untereinheiten an, die die innere Oberfläche des Kanals bilden, und aufgrund des Lasereffekts werden diese Moden synchronisiert und bilden kohärente Hyperschallschwingungen.

2) Die Funktion eines Resonators, der eine verteilte Rückkopplung erzeugt, wird von einer periodischen Struktur übernommen, die in den Myelinhüllen vorhanden ist, zwischen denen die Interzeptionen von Ranvier eingeschlossen sind. Die periodische Struktur wird durch Schichten von Membranen mit einer Dicke von d ~ 10. erzeugt^-6 cm.

Diese Periode entspricht einer Resonanzwellenlänge λ ~ 2d ~ 2 * 10^-6 cm und Frequenz ν ~ υ / λ ~ 5 * 10¹⁰ Hz, υ ~ 10⁵ cm / sec - Geschwindigkeit von Hyperschallwellen.

Eine wichtige Rolle spielt die Tatsache, dass Ionenkanäle selektiv sind. Der Durchmesser der Kanäle stimmt mit dem Durchmesser der Ionen überein, sodass die Ionen in engem Kontakt mit den Untereinheiten stehen, die die Innenfläche des Kanals auskleiden.

Als Ergebnis übertragen die Ionen den größten Teil ihrer Energie auf die Schwingungsmoden dieser Untereinheiten: Die Energie der Ionen wird in die Schwingungsenergie der die Kanäle bildenden Untereinheiten umgewandelt, was der physikalische Grund für das Pumpen ist.

Die Erfüllung der beiden notwendigen Bedingungen für die Realisierung des Lasereffekts bedeutet, dass Ranviers Interceptions akustische Laser sind (jetzt werden sie "Saser" genannt). Saser in neuronalen Membranen zeichnen sich dadurch aus, dass das Pumpen durch einen Ionenstrom erfolgt: Ranvier-Interceptions sind Saser, die kohärente akustoelektrische Schwingungen mit einer Frequenz von ~ 5 * 10. erzeugen¹⁰ Hz.

Aufgrund des Lasereffekts regt der durch die Interzeptionen von Ranvier fließende Ionenstrom nicht nur die Schwingungsmoden der Moleküle an, aus denen diese Interzeptionen bestehen (was eine einfache Umwandlung der Energie des Ionenstroms in thermische Energie wäre): Abfangen von Ranvier werden die Schwingungsmoden synchronisiert, wodurch kohärente Schwingungen der Resonanzfrequenz gebildet werden.

Die in Ranviers Interceptions erzeugten Schwingungen in Form von akustischen Wellen mit Hyperschallfrequenz breiten sich in die Myelinscheiden aus, wo sie ein akustisches (hyperschall) "Interferenzmuster" bilden, das als materieller Träger des Informationssystems des Gehirns dient

II. Informationssystem des Gehirns, ähnlich einem Quantencomputer, dessen Qubits akustoelektrische Schwingungsmoden sind

Wenn die Aussage über das Vorhandensein hochfrequenter kohärenter akustischer Schwingungen im Gehirn der Realität entspricht, dann ist es sehr wahrscheinlich, dass das Informationssystem des Gehirns auf der Grundlage dieser Schwingungen arbeitet: Ein solch großes Medium muss sicherlich zur Aufzeichnung verwendet werden und Informationen reproduzieren.

Das Vorhandensein kohärenter Hyperschallschwingungen ermöglicht es dem Gehirn, im Modus eines Quantencomputers zu arbeiten. Betrachten wir den wahrscheinlichsten Mechanismus zur Realisierung eines "Gehirn"-Quantencomputers, in dem elementare Informationszellen (Qubits) auf der Grundlage von Hyperschallschwingungsmoden erzeugt werden.

Ein Qubit ist eine beliebige Linearkombination von Basiszuständen | Ψ₀> und | Ψ₁> mit Koeffizienten α, β, die die Normierungsbedingung α. erfüllen² + β² = 1. Bei Schwingungsmoden können sich die Grundzustände durch jeden der 4 Parameter unterscheiden, die diese Moden charakterisieren: Amplitude, Frequenz, Polarisation, Phase.

Amplitude und Frequenz werden wahrscheinlich nicht verwendet, um ein Qubit zu erstellen, da diese beiden Parameter in allen Bereichen der Axone ungefähr gleich sind.

Es bleiben die dritte und vierte Möglichkeit: Polarisation und Phase. Qubits, die auf Polarisation und der Phase akustischer Schwingungen basieren, sind völlig analog zu Qubits, in denen die Polarisation und Phase von Photonen verwendet werden (das Ersetzen von Photonen durch Phononen hat keine grundlegende Bedeutung).

Wahrscheinlich werden Polarisation und Phase zusammen verwendet, um akustische Qubits im Myelinnetzwerk des Gehirns zu bilden. Die Werte dieser 2 Größen bestimmen die Art der Ellipse, die der Schwingungsmodus in jedem Querschnitt der Axonmyelinscheide bildet: die Grundzustände akustischer Qubits eines Quantencomputers im Gehirn sind durch elliptische Polarisation gegeben.

Die Anzahl der Axone im Gehirn entspricht der Anzahl der Neuronen: etwa 10¹¹… Ein Axon hat durchschnittlich 30 Myelinsegmente, und jedes Segment kann als Qubit fungieren. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Qubits im Informationssystem des Gehirns 3 * 10. erreichen kann¹².

Die Informationskapazität eines Geräts mit einer solchen Anzahl von Qubits entspricht der eines herkömmlichen Computers, dessen Speicher 2^{3 000 000 000 000}Bits.

Dieser Wert ist 10 Milliarden Größenordnungen größer als die Anzahl der Teilchen im Universum (10⁸⁰). Eine so große Informationskapazität des Quantencomputers des Gehirns ermöglicht es Ihnen, beliebig viele Informationen aufzunehmen und alle Probleme zu lösen.

Um Informationen aufzuzeichnen, müssen Sie kein spezielles Aufzeichnungsgerät erstellen: Informationen können auf demselben Medium gespeichert werden, mit dem Informationen verarbeitet werden (in Quantenzuständen von Qubits).

Jedes Bild und sogar jeder "Schatten" eines Bildes (unter Berücksichtigung aller Verbindungen eines bestimmten Bildes mit anderen Bildern) kann einem Punkt im Hilbert-Raum zugeordnet werden, der eine Menge von Zuständen von Qubits eines Quantencomputers im Gehirn widerspiegelt. Wenn sich eine Menge von Qubits am selben Punkt im Hilbert-Raum befindet, "blitzt" dieses Bild im Bewusstsein auf und wird reproduziert.

Die Verschränkung akustischer Qubits in einem Quantencomputer im Gehirn kann auf zwei Arten erreicht werden.

Der erste Weg: aufgrund des engen Kontakts zwischen den Teilen des Myelinnetzwerks des Gehirns und der Übertragung der Verschränkung durch diese Kontakte.

Der zweite Weg: Verschränkung kann als Ergebnis mehrerer Wiederholungen desselben Satzes von Schwingungsmoden auftreten: Die Korrelation zwischen diesen Moden wird zu einem einzigen Quantenzustand, zwischen dessen Elementen eine nichtlokale Verbindung hergestellt wird (wahrscheinlich mit Hilfe der NR¹- Geraden [1]). Das Vorhandensein einer nicht-lokalen Verbindung ermöglicht es dem Informationsnetzwerk des Gehirns, konsistente Berechnungen unter Verwendung von "Quantenparallelismus" durchzuführen.

Diese Eigenschaft verleiht dem Quantencomputer des Gehirns eine extrem hohe Rechenleistung.

Damit der Quantencomputer des Gehirns effektiv arbeiten kann, müssen nicht alle 3 * 10. verwendet werden¹² potentielle Qubits. Der Betrieb eines Quantencomputers ist effizient, selbst wenn die Anzahl der Qubits etwa tausend beträgt (10³). Diese Anzahl von Qubits kann in einem Axonbündel gebildet werden, das aus nur 30 Axonen besteht (jeder Nerv kann ein "Mini"-Quantencomputer sein). So kann ein Quantencomputer einen winzigen Bruchteil des Gehirns einnehmen, und viele Quantencomputer können im Gehirn existieren.

Der Haupteinwand gegen den vorgeschlagenen Mechanismus des Gehirninformationssystems ist die starke Dämpfung von Hyperschallwellen. Dieses Hindernis kann durch den "Aufklärungseffekt" überwunden werden.

Die Intensität der erzeugten Schwingungsmoden kann für eine Ausbreitung im Modus der selbstinduzierten Transparenz ausreichend sein (thermische Schwingungen, die die Kohärenz der Schwingungsmode zerstören könnten, werden selbst Teil dieser Schwingungsmode).

III. Ein Quantencomputer, der auf den gleichen physikalischen Prinzipien aufgebaut ist wie das menschliche Gehirn

Wenn das Informationssystem des Gehirns wirklich wie ein Quantencomputer funktioniert, dessen Qubits akustoelektrische Modi sind, dann ist es durchaus möglich, einen Computer zu bauen, der nach den gleichen Prinzipien funktioniert.

In den nächsten 5-6 Monaten will der Autor einen Quantencomputer zum Patent anmelden, der das Informationssystem des Gehirns simuliert.

Nach 5-6 Jahren können wir das Erscheinen der ersten Beispiele künstlicher Intelligenz erwarten, die nach dem Bild und der Ähnlichkeit des menschlichen Gehirns arbeiten.

Quantencomputer verwenden die allgemeinsten Gesetze der Quantenmechanik. Die Natur hat keine allgemeinen Gesetze "erfunden", daher ist es ganz natürlich, dass Bewusstsein arbeitet nach dem Prinzip eines Quantencomputers und nutzt die maximalen Möglichkeiten der Natur zur Verarbeitung und Aufzeichnung von Informationen.

Es ist ratsam, ein direktes Experiment durchzuführen, um kohärente akustoelektrische Schwingungen im Myelinnetzwerk des Gehirns nachzuweisen. Dazu sollte man Teile des Myelinnetzwerks des Gehirns mit einem Laserstrahl bestrahlen und versuchen, eine Modulation mit einer Frequenz von etwa 5 * 10 im Durch- oder Auflicht zu erkennen.¹⁰ Hz.

Ein ähnliches Experiment kann an einem physikalischen Modell eines Axons durchgeführt werden, d.h. eine künstlich erzeugte Membran mit eingebauten Ionenkanälen. Dieses Experiment wird der erste Schritt zur Entwicklung eines Quantencomputers sein, dessen Arbeit nach den gleichen physikalischen Prinzipien wie die Arbeit des Gehirns erfolgen soll.

Die Entwicklung von Quantencomputern, die wie ein Gehirn (und besser als ein Gehirn) funktionieren, wird die Informationsunterstützung der Zivilisation auf ein qualitativ neues Niveau heben.

Fazit

Der Autor versucht, die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf die Arbeit vor einem Vierteljahrhundert [2] zu lenken, die für das Verständnis des Mechanismus des Informationssystems des Gehirns und die Identifizierung der Natur des Bewusstseins wichtig sein könnte. Kern der Arbeit ist der Nachweis, dass einzelne Abschnitte neuronaler Membranen (Ranvier-Interceptions) als Quellen kohärenter akustoelektrischer Schwingungen dienen.

Die grundlegende Neuheit dieser Arbeit liegt in der Beschreibung des Mechanismus, durch den die in den Interzeptionen von Ranvier erzeugten Schwingungen für den Betrieb des Informationssystems des Gehirns als Träger von Gedächtnis und Bewusstsein genutzt werden.

Untermauert wird die Hypothese, dass das Informationssystem des Gehirns wie ein Quantencomputer funktioniert, bei dem die Funktion von Qubits von akustoelektrischen Schwingungsmoden in den Membranen von Neuronen übernommen wird. Die Hauptaufgabe der Arbeit besteht darin, die These zu untermauern, dass das Gehirn ist ein Quantencomputer, dessen Qubits kohärente Schwingungen neuronaler Membranen sind.

Neben Polarisation und Phase ist ein weiterer Parameter von Hyperschallwellen in neuronalen Membranen, der zur Bildung von Qubits verwendet werden kann, die Verdrehung (dies ist 5^{und ich} Wellencharakteristik, die das Vorhandensein von Bahndrehimpuls widerspiegelt).

Die Erzeugung von Wirbelwellen bereitet keine besonderen Schwierigkeiten: Dazu müssen an der Grenze der Ranvier-Interzeptionen und Myelinregionen spiralförmige Strukturen oder Defekte vorhanden sein. Wahrscheinlich existieren solche Strukturen und Defekte (und die Myelinscheiden selbst sind spiralförmig).

Nach dem vorgeschlagenen Modell ist der Hauptinformationsträger im Gehirn die weiße Substanz des Gehirns (Myelinscheiden) und nicht die graue Substanz, wie derzeit angenommen wird. Die Myelinscheiden dienen nicht nur der Erhöhung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen, sondern auch dem Hauptträger des Gedächtnisses und des Bewusstseins: Die meisten Informationen werden in der weißen und nicht in der grauen Substanz des Gehirns verarbeitet.

Im Rahmen des vorgeschlagenen Modells des Informationssystems des Gehirns findet das psychophysische Problem von Descartes eine Lösung: „Wie hängen Körper und Geist in einem Menschen zusammen?“Was ist also das Verhältnis von Materie und Bewusstsein?

Die Antwort lautet wie folgt: Geist existiert im Hilbert-Raum, wird aber durch Quanten-Qubits erzeugt, die von materiellen Teilchen gebildet werden, die in der Raumzeit existieren.

Moderne Technik ist in der Lage, die Struktur des axonalen Netzwerks des Gehirns nachzubilden und zu überprüfen, ob in diesem Netzwerk tatsächlich Hyperschallschwingungen erzeugt werden, und dann einen Quantencomputer zu bauen, in dem diese Schwingungen als Qubits verwendet werden.

Künstliche Intelligenz auf Basis eines akustoelektrischen Quantencomputers wird im Laufe der Zeit in der Lage sein, die qualitativen Eigenschaften des menschlichen Bewusstseins zu übertreffen. Dadurch wird ein grundlegend neuer Schritt in der menschlichen Evolution möglich, und dieser Schritt wird durch das Bewusstsein des Menschen selbst gemacht.

Es ist an der Zeit, mit der Umsetzung der finalen Leistungsbeschreibung [2] zu beginnen: "Zukünftig ist es möglich, einen Neurocomputer zu entwickeln, der nach den gleichen physikalischen Prinzipien wie das menschliche Gehirn arbeitet.".

Schlussfolgerungen

1. In den Membranen von Neuronen gibt es kohärente akustoelektrische Schwingungen: Diese Schwingungen werden entsprechend dem akustischen Lasereffekt in den Interzeptionen von Ranvier erzeugt und breiten sich in die Myelinscheiden aus

2. Kohärente akustoelektrische Schwingungen in den Myelinscheiden von Neuronen erfüllen die Funktion von Qubits, auf deren Grundlage das Informationssystem des Gehirns nach dem Prinzip eines Quantencomputers arbeitet

3. In den kommenden Jahren ist es möglich, künstliche Intelligenz zu schaffen, ein Quantencomputer, der nach den gleichen physikalischen Prinzipien arbeitet, nach denen das Informationssystem des Gehirns arbeitet

LITERATUR

1. V. A. Shashlov, Neues Modell des Universums (I) // "Academy of Trinitarianism", M., El No. 77-6567, publ. 24950, 20.11.2018