Мозг, как квантовый компьютер

Введение. Постановка проблемы

Данная работа призвана раскрыть содержание заключительного (№12) вывода предшествующей работы [1]: «Мозг работает как квантовый компьютер, в котором функцию кубитов выполняют когерентные акустоэлектрические колебания участков миелиновых оболочек нейронов, а связь между этими участками осуществляется благодаря нелокальному взаимодействию посредством НР¹-прямых».

Основополагающая идея, которая лежит в основе данного вывода, была опубликована четверть века назад в журнале «Радиофизика» [2]. Суть идеи заключалась в том, что в отдельных участках нейтронов, а именно, в перехватах Ранвье, генерируются когерентные акустоэлектрические колебания с частотой ~ 5*10¹⁰ Гц, и данные колебания служат главным носителем информации в информационной системе мозга.

В данной работе показано, что акустоэлектрические колебательные моды в мембранах нейронов способны выполнять функцию кубитов, на основе которых построена работа информационной системы мозга, как квантового компьютера.

Цель работы

Данная работа преследует 3 цели:

1) привлечь внимание к работе [2], в которой еще 25 лет назад было показано, что в мембранах нейронов могут генерироваться когерентные гиперзвуковые колебания,

2) описать новую модель информационной системы мозга, в основе которой лежит наличие в мембранах нейронов когерентных колебаний гиперзвукового диапазона,

3) предложить новый тип квантового компьютера, работа которого будет в максимальной степени моделировать работу информационной системы мозга.

Содержание работы

В первом разделе описан физический механизм генерации в мембранах нейронов когерентных акустоэлектрических колебаний с частотой порядка 5*10¹⁰ Гц.

Во втором разделе изложены принципы работы информационной системы мозга на основе когерентных колебаний, генерируемых в мембранах нейронов.

В третьем разделе предлагается создать квантовый компьютер, моделирующий информационную систему мозга.

I. Природа когерентных колебаний в мембранах нейронов

Строение нейрона описано в любой монографии по нейронаукам. Каждый нейрон содержит основное тело, множество отростков (дендритов), посредством которых получает сигналы от остальных клеток, и длинный отросток (аксон), посредством которого сам выдает электрические импульсы (потенциалы действия).

В дальнейшем будем рассматривать исключительно аксоны. Каждый аксон содержит чередующиеся друг с другом участки 2-х видов:

1. перехваты Ранвье,

2. миелиновые оболочки.

Каждый перехват Ранвье заключен между двумя миелиновыми отрезками. Длина перехвата Ранвье на 3 порядка меньше длины миелинового отрезка: длина перехвата Ранвье 10^-4 см (один микрон), а длина миелинового отрезка 10^-1 см (один миллиметр).

Перехваты Ранвье являются теми участками, в которые встроены ионные каналы. Через эти каналы ионы Na⁺ и К⁺ проникают внутрь аксона и выходят из него, в результате чего формируются потенциалы действия. В настоящее время считается, что формирование потенциалов действия – это единственная функция перехватов Ранвье.

Однако, в работе [2] показано, что перехваты Ранвье способны выполнять еще одну важнейшую функцию: в перехватах Ранвье генерируются когерентные акустоэлектрические колебания.

Генерация когерентных акустоэлектрических колебаний осуществляется благодаря акустоэлектрическому лазерному эффекту, который реализуется в перехватах Ранвье, поскольку выполнены оба необходимые условия для реализации данного эффекта:

1) наличие накачки, посредством которой возбуждаются колебательные моды,

2) наличие резонатора, посредством которого осуществляется обратная связь.

1) Накачка обеспечивается ионными токами Na⁺ и К⁺, протекающими через перехваты Ранвье. Благодаря высокой плотности расположения каналов (10¹² см^-2) и их высокой пропускной способности (10⁷ ион/сек), плотность ионного тока через перехваты Ранвье чрезвычайно велика. Проходящие через канал ионы возбуждают колебательные моды субъединиц, образующих внутреннюю поверхность канала, а за счет лазерного эффекта эти моды синхронизируются, образуя когерентные гиперзвуковые колебания.

2) Функцию резонатора, создающего распределенную обратную связь, выполняет периодическая структура, которая имеется в миелиновых оболочках, между которыми заключены перехваты Ранвье. Периодическая структура создается слоями мембран толщиной d ~ 10^-6 см.

Такому периоду соответствует резонансная длина волны ? ~ 2d ~ 2*10^-6 см и частота ? ~ ?/? ~5*10¹⁰ Гц, ? ~ 10⁵ см/сек – скорость гиперзвуковых волн.

Примечание. Периодическая структура с таким периодом, вероятно, имеет место и в самих перехватах Ранвье, где она может образовываться регулярным расположением ионных каналов. Согласование периодических структур в перехватах Ранвье и в миелиновых оболочках – важное условие генерации когерентных колебаний.

Важную роль играет то обстоятельство, что ионные каналы являются селективными. Диаметр каналов совпадает с диаметром ионов, поэтому ионы испытывают тесный контакт с субъединицами, которые выстилают внутреннюю поверхность канала.

Вследствие этого, большую часть своей энергии ионы передают именно колебательным модам этих субъединиц: происходит преобразование энергии ионов в колебательную энергию составляющих каналы субъединиц, что служит физической причиной накачки.

Выполнение обоих необходимых условий реализации лазерного эффекта означает, что перехваты Ранвье представляют собой акустические лазеры (в настоящее время их называют «сазеры»). Особенностью сазеров в мембранах нейронов является то, что накачка осуществляется ионным током: перехваты Ранвье – это сазеры, генерирующие когерентные акустоэлектрические колебания частотой ~ 5*10¹⁰ Гц.

Примечание. Доказательство данного утверждения составляло основное содержание работы [2]. Смысл доказательства сводился к проверке, что скорость, с которой фононы образуются при столкновении ионов с субъединицами ионных каналов, превышает скорость, с которой фононы покидают перехваты Ранвье. Выполнение этого условия означает, что количество фононов резонансной частоты непрерывно увеличивается, что приводит к формированию когерентных гиперзвуковых колебаний.

Благодаря лазерному эффекту, проходящий через перехваты Ранвье ионный ток не только возбуждает колебательные моды составляющих эти перехваты молекул (что являлось бы простым преобразованием энергии ионного тока в тепловую энергию): в перехватах Ранвье происходит синхронизация колебательных мод, в результате чего образуются когерентные колебания резонансной частоты.

Генерируемые в перехватах Ранвье колебания в виде акустических волн гиперзвуковой частоты распространяются в миелиновые оболочки, где формируют акустический (гиперзвуковой) «интерференционный узор», который служит материальным носителем информационной системы мозга.

II. Информационная система мозга, как квантовый компьютер, кубитами которого служат акустоэлектрические колебательные моды

Если вывод о наличии в мозгу высокочастотных когерентных акустических колебаний соответствует действительности, то весьма вероятно, что информационная система мозга работает на основе этих колебаний: столь емкий носитель непременно должен использоваться для записи и воспроизведения информации.

Наличие когерентных гиперзвуковых колебаний позволяет мозгу работать в режиме квантового компьютера. Рассмотрим наиболее вероятный механизм реализации «мозгового» квантового компьютера, в котором элементарные ячейки информации (кубиты) создаются на основе гиперзвуковых колебательных мод.

Кубит – это произвольная линейная комбинация базовых состояний |?₀> и |?₁> с коэффициентами ?, ?, которые удовлетворяют условию нормировки ?² + ?² = 1. В случае колебательных мод базовые состояния могут отличаться любым из 4-х параметров, характеризующих эти моды: амплитудой, частотой, поляризацией, фазой.

Амплитуда и частота, вероятно, не используются для создания кубита, поскольку во всех участках аксонов эти 2 параметра являются примерно одинаковыми.

Примечание. Амплитуда колебательной моды определяется величиной ионного тока и этой величины едва хватает для реализации лазерного эффекта, а частота имеет одинаковую величину, поскольку определяется толщиной липидного слоя.

Остается третья и четвертая возможности: поляризация и фаза. Кубиты на основе поляризации и фазы акустических колебаний полностью аналогичны кубитам, в которых используются поляризация и фаза фотонов (замена фотонов на фононы не имеет принципиального значения).

Вероятно, для формирования акустических кубитов в миелиновой сети мозга поляризация и фаза используются совместно. Значения этих 2-х величин определяют вид эллипса, который образует колебательная мода в каждом поперечном сечении миелиновой оболочки аксона: базовые состояния акустических кубитов квантового компьютера мозга задаются эллиптической поляризацией.

Примечание. В качестве базовых состояний |?₀> и |?₁> «мозговых» кубитов могут быть выбраны состояния поляризации и фазы колебательных мод в любых 2-х ортогональных направлениях в плоскости, перпендикулярной оси аксона.

Количество аксонов в мозгу совпадает с количеством нейронов: порядка 10¹¹. В аксоне имеется в среднем 30 миелиновых отрезков, и каждый отрезок может выполнять функцию кубита. Это означает, что количество кубитов в информационной системе мозга может достигать 3*10¹².

Информационная емкость устройства с таким количеством кубитов, эквивалентна обычному компьютеру, память которого содержит 2^{3 000 000 000 000}битов.

Данная величина на 10 миллиардов порядков превышает количество частиц во Вселенной (10⁸⁰). Столь большая информационная емкость квантового компьютера мозга позволяет записывать сколь угодно большой объем информации и решать любые задачи.

Для записи информации не требуется создавать специальное записывающее устройство: хранение информации может осуществляется на том же самом носителе, с помощью которого происходит обработка информации (в квантовых состояниях кубитов).

Каждому образу и даже каждому «оттенку» образа (учитывающему все взаимосвязи данного образа с другими образами) можно поставить в соответствие точку гильбертова пространства, отражающую набор состояний кубитов квантового компьютера мозга. Когда совокупность кубитов оказывается в той же точке гильбертова пространства, данный образ «вспыхивает» в сознании и происходит его воспроизведение.

Примечание 1. Если бы записывающее устройство существовало отдельно от «мозгового процессора», должен был бы существовать механизм доступа к записанной информации. Этот механизм не может быть основан на низкочастотной активности мозга, поскольку информационная емкость потенциалов действия очень мала.

Примечание 2. Системы обработки информации с записывающими устройствами ограниченной емкости (пусть даже это будут миллиарды и триллионы терабайт), не способны обеспечить образное мышление: на это способен только квантовый компьютер, оперирующий «сверх-вселенскими» (> 10⁸⁰) объемами информации.

Запутывание акустических кубитов в квантовом компьютере мозга может осуществляться двумя способами.

Первый способ: благодаря наличию тесного контакта между участками миелиновой сети мозга и передачи запутанности по этим контактам.

Второй способ: запутанность может появляться как результат многократного повторения одного и того же набора колебательных мод: корреляция между этими модами становится единым квантовым состоянием, между элементами которого устанавливается нелокальная связь (вероятно, с помощью НР¹-прямых [1]). Наличие нелокальной связи позволяет информационной сети мозга осуществлять согласованные вычисления, используя «квантовый параллелизм».

Именно это свойство придает квантовому компьютеру мозга чрезвычайно высокую вычислительную мощность.

Для эффективной работы квантового компьютера мозга нет необходимости задействовать все 3*10¹² потенциальных кубитов. Работа квантового компьютера будет эффективной и в том случае, если количество кубитов будет порядка одной тысячи (10³). Такое количество кубитов может быть сформировано в одном аксонном пучке, составленном всего из 30 аксонов (каждый нерв может являться «мини» квантовым компьютером). Таким образом, квантовый компьютер может занимать мизерную часть мозга, и в мозгу может существовать множество квантовых компьютеров.

Основное возражение против предлагаемого механизма работы информационной системы мозга заключается в большом затухании гиперзвуковых волн. Это препятствие может быть преодолено эффектом «просветления».

Интенсивность генерируемых колебательных мод может оказаться достаточной для распространения в режиме самоиндуцированной прозрачности (тепловые колебания, которые могли бы разрушать когерентность колебательной моды, сами становятся частью этой колебательной моды).

Примечание. Данная модель информационной системы мозга объясняет скачкообразное увеличение умственных способностей, особенно в молодые годы. Каждый новый кубит, включенный в работу квантового компьютера мозга, увеличивает информационную емкость мозга в 2 раза, поэтому для увеличения информационной емкости мозга на порядок, достаточно добавить всего 3-4 кубита.

III. Квантовый компьютер, построенный на тех же физических принципах, на которых работает человеческий мозг

Если информационная система мозга действительно работает, как квантовый компьютер, кубитами которого служат акустоэлектрические моды, то вполне реально создать компьютер, который будет работать на этих же принципах.

В ближайшие 5-6 месяцев автор намерен оформить заявку на получение патента на квантовый компьютер, моделирующий информационную систему мозга.

По истечении 5-6 лет можно ожидать появление первых образцов искусственного интеллекта, работающих по образу и подобию человеческого мозга.

Квантовые компьютеры используют наиболее общие законы квантовой механики. Никаких более общих законов природа «не придумала», поэтому вполне естественно, что сознание работает по принципу квантового компьютера, используя максимальные возможности для обработки и записи информации, предоставляемые природой.

Целесообразно провести прямой эксперимент по обнаружению когерентных акустоэлектрических колебаний в миелиновой сети мозга. Для этого следует облучить лазерным лучом участки миелиновой сети мозга и попытаться обнаружить в прошедшем или отраженном свете модуляцию с частотой порядка 5*10¹⁰ Гц.

Аналогичный эксперимент можно провести на физической модели аксона, т.е. искусственно созданной мембране с встроенными ионными каналами. Данный эксперимент станет первым шагом на пути создания квантового компьютера, работа которого будет осуществляться на тех же физических принципах, что и работа мозга.

Создание квантовых компьютеров, работающих как мозг (и лучше мозга) поднимет информационное обеспечение цивилизации на качественно новый уровень.

Заключение

Автор пытается обратить внимание ученого сообщества на работу четверть-вековой давности [2], которая может иметь важное значение для понимания механизма работы информационной системы мозга и выявления природы сознания. Суть работы состоит в доказательстве, что отдельные участки мембран нейронов (перехваты Ранвье) служат источниками когерентных акустоэлектрических колебаний.

Принципиальная новизна данной работы заключается в описании механизма, посредством которого генерируемые в перехватах Ранвье колебания используются для работы информационной системы мозга в качестве носителя памяти и сознания.

Обосновывается гипотеза, что информационная система мозга работает как квантовый компьютер, в котором функцию кубитов выполняют акустоэлектрические колебательные моды в мембранах нейронов. Главная задача работы – обосновать тезис, что мозг представляет собой квантовый компьютер, кубитами которого служат когерентные колебания мембран нейронов.

Наряду с поляризацией и фазой, еще одним параметром гиперзвуковых волн в мембранах нейронов, который может быть использован для формирования кубитов, является закрученность (это 5^ая характеристика волн, отражающая наличие орбитального момента).

Создание закрученных волн не составляет особых трудностей: для этого на границе перехватов Ранвье и миелиновых участков должны иметься спиральные структуры или дефекты. Вероятно, такие структуры и дефекты действительно имеются (да и сами миелиновые оболочки являются спиральными).

Согласно предлагаемой модели, главным носителем информации в мозгу служит белое вещество мозга (миелиновые оболочки), а не серое вещество, как считается в настоящее время. Миелиновые оболочки служат не только для увеличения скорости распространения потенциалов действия, но также главным носителем памяти и сознания: большая часть информации обрабатывается в белом, а не в сером веществе мозга.

Примечание 1. Мозг постоянно «звучит» на гиперзвуковых частотах: это «звучание» и представляет собой работу информационной системы мозга.

Примечание 2. В акустоэлектрическом лазерном эффекте происходит синхронизация колебаний молекул, из которых построены мембраны нейронов. Тепловые колебания молекул вносят существенный вклад в энтропию рассматриваемой системы, поэтому реализация данного эффекта приводит к резкому уменьшению энтропии.

Абсолютная величина этого уменьшения, вероятно, превышает увеличение энтропии, связанное с совершением работы по разделению ионов Na⁺ и К⁺, в результате чего в мембранах нейронов происходит уменьшение энтропии, т.е. нарушение II начала термодинамики.

Процессы с уменьшением энтропии протекают с понижением температуры: именно по этой причине мозг не перегревается, несмотря на то, что в нем непрерывно протекают интенсивные процессы (температура мозга поддерживается за счет эффекта «сазерного охлаждения»).

В рамках предложенной модели работы информационной системы мозга находит решение поставленная Декартом психофизическая проблема: «Как в человеке соотносятся тело и дух?», другими словами, каково соотношение между материей и сознанием?

Ответ звучит следующим образом: дух существует в гильбертовом пространстве, однако создается квантовыми кубитами, образованными материальными частицами, которые существуют в пространстве-времени.

Примечание. Местом «обитания» сознания (духа) является гильбертово пространство, однако самостоятельное существование сознания в гильбертовом пространстве (без материального носителя) возможно только Творцу.

Современная технология способна воспроизвести строение аксонной сети мозга и проверить, действительно ли в этой сети генерируются гиперзвуковые колебания, после чего создать квантовый компьютер, в котором в качестве кубитов будут использоваться эти колебания.

Со временем, искусственный интеллект на основе акустоэлектрического квантового компьютера, сможет превысить качественные характеристики сознания человека. Это позволит сделать принципиально новый шаг в эволюции человека, и этот шаг будет сделан сознанием самого человека.

Настало время приступить к реализации заключительного утверждения работы [2]: «В перспективе возможно создание нейрокомпьютера, который будет работать на тех же физических принципах, что и мозг человека».

Выводы

1. В мембранах нейронов существуют когерентные акустоэлектрические колебания: эти колебания генерируются в соответствие с акустическим лазерным эффектом в перехватах Ранвье и распространяются в миелиновые оболочки.

2. Когерентные акустоэлектрические колебания в миелиновых оболочках нейронов выполняют функцию кубитов, на основе которых информационная система мозга работает по принципу квантового компьютера.

3. В ближайшие годы возможно создание искусственного интеллекта, представляющего собой квантовый компьютер, работающий на тех же физических принципах, на которых работает информационная система мозга.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Новая модель Мироздания (I) // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 24950, 20.11.2018

2. В.А. Шашлов, «Радиофизика», 1994 г. вып.1, с. 103

В.А. Шашлов