Muito tem sido feito de processos de computação quântica usando átomos e íons ultracold, junções supercondutoras e defeitos em diamantes, mas poderíamos executá-los em nossos próprios cérebros?

É uma pergunta que o físico teórico da UC Santa Bárbara, Matthew Fisher, vem se perguntando há anos. Agora, como diretor científico do novo Quantum Brain Project (QuBrain), ele está tentando submeter sua investigação a testes experimentais rigorosos.

"Poderíamos, nós mesmos, sejam computadores quânticos, em vez de apenas robôs inteligentes que estão projetando e construindo computadores quânticos? ”, pergunta Fisher.

Algumas funções que o cérebro executa continuam a iludir a neurociência - o substrato que "guarda" memórias de muito longo prazo e como funciona, por exemplo. Mecânica quântica, que lida com o comportamento da natureza em níveis atômicos e subatômicos, pode ser capaz de desbloquear algumas pistas. E isso, por sua vez, pode ter implicações importantes em muitos níveis, da computação quântica e ciências dos materiais à biologia, saúde mental e até o que é ser humano.

A ideia de computação quântica em nossos cérebros não é nova. Na verdade, tem circulado por um tempo com alguns cientistas, bem como aqueles com menos inclinações científicas. Mas Fisher, um especialista de renome mundial no campo da mecânica quântica, identificou um conjunto preciso - e único - de componentes biológicos e mecanismos-chave que poderiam fornecer a base para o processamento quântico no cérebro. Com US $ 1,2 milhão em subsídios ao longo de três anos da Fundação Heising-Simons, Fisher vai lançar a colaboração QuBrain na UCSB. Composto por uma equipe internacional de cientistas líderes em física quântica, biologia molecular, bioquímica, ciência coloidal e neurociência comportamental, o projeto buscará evidências experimentais explícitas para responder se podemos ser de fato computadores quânticos.

"Estamos extremamente gratos à Fundação Heising-Simons pela visão ousada em conceder este projeto na fronteira da neurociência quântica, "disse o chanceler da UC Santa Barbara, Henry T. Yang." O professor Matthew Fisher é um físico quântico excepcional, conforme evidenciado pelo Prêmio Oliver E. Buckley que ele compartilhou em 2015 por sua pesquisa sobre transições de fase quântica. Agora ele está saindo de sua estrutura de pesquisa teórica tradicional, reunir uma equipe internacional de especialistas para desenvolver um programa de pesquisa experimental que irá determinar se os processos quânticos existem no cérebro. A pesquisa deles pode lançar uma nova luz sobre como o cérebro funciona, o que pode levar a novos protocolos de tratamento de saúde mental. Como tal, antecipamos ansiosamente os resultados dos esforços de pesquisa colaborativa da QuBrain nos próximos anos. "

"Se a questão de saber se os processos quânticos ocorrem no cérebro for respondida afirmativamente, poderia revolucionar nossa compreensão e tratamento da função cerebral e cognição humana, "disse Matt Helgeson, um professor de engenharia química da UCSB e diretor associado da QuBrain.

Qubits bioquímicos

As marcas dos computadores quânticos residem no comportamento dos sistemas infinitesimais de átomos e íons, que podem manifestar "qubits" (por exemplo, "spins") que exibem emaranhamento quântico. Vários qubits podem formar redes que codificam, armazenar e transmitir informações, análogo aos bits digitais em um computador convencional. Nos computadores quânticos que estamos tentando construir, esses efeitos são gerados e mantidos em ambientes altamente controlados e isolados e em baixas temperaturas. Então, o calor, cérebro úmido não é considerado um ambiente propício para exibir efeitos quânticos, pois eles deveriam ser facilmente "lavados" pelo movimento térmico de átomos e moléculas.

Contudo, Fisher afirma que os giros nucleares (no núcleo do átomo, em vez dos elétrons circundantes) constituem uma exceção à regra.

"Spins nucleares extremamente bem isolados podem armazenar - e talvez processar - informações quânticas em escalas de tempo humanas de horas ou mais, "disse ele. Fisher postula que os átomos de fósforo - um dos elementos mais abundantes no corpo - têm o spin nuclear necessário que pode servir como um qubit bioquímico. Um dos esforços experimentais da colaboração será monitorar as propriedades quânticas do fósforo átomos, particularmente o emaranhamento entre dois spins nucleares de fósforo quando ligados entre si em uma molécula que passa por processos bioquímicos.

Enquanto isso, Helgeson e Alexej Jerschow, um professor de química na Universidade de Nova York, irá investigar a dinâmica e o spin nuclear das moléculas de Posner - nano-aglomerados de fosfato de cálcio em formato esférico - e se eles têm a capacidade de proteger os spins nucleares dos qubits do átomo de fósforo, que poderia promover o armazenamento de informações quânticas. Eles também irão explorar o potencial para processamento de informação quântica não local que pode ser habilitado por ligação de pares e dissociação de moléculas de Posner.

Neurônios Emaranhados

Em outro conjunto de experimentos, Tobias Fromme, um cientista da Universidade Técnica de Munique, vai estudar a contribuição potencial das mitocôndrias para o emaranhamento e seu acoplamento quântico aos neurônios. Ele determinará se essas organelas celulares - responsáveis ​​por funções como metabolismo e sinalização celular - podem transportar moléculas de Posner dentro e entre os neurônios por meio de suas redes tubulares. A fusão e a fissão das mitocôndrias podem permitir o estabelecimento do emaranhamento quântico intra e intercelular não local. A dissociação subsequente de moléculas de Posner pode desencadear a liberação de cálcio, correlacionada através da rede mitocondrial, ativação da liberação de neurotransmissores e subsequente disparo sináptico através do que seria essencialmente uma rede quântica acoplada de neurônios - um fenômeno que Fromme tentará emular in vitro.

A possibilidade de processamento cognitivo de spin nuclear chegou a Fisher em parte por meio de estudos realizados na década de 1980 que relataram uma notável dependência do isótopo de lítio no comportamento das ratas mães. Embora tenha o mesmo elemento, seu comportamento mudou dramaticamente dependendo do número de nêutrons nos núcleos de lítio. O que para a maioria das pessoas seria uma diferença insignificante, era para um físico quântico como Fisher uma disparidade fundamentalmente significativa, sugerindo a importância dos spins nucleares. Aaron Ettenberg, Professor Distinto de Ciências Psicológicas e do Cérebro da UCSB, irá conduzir investigações que procuram replicar e estender esses experimentos de isótopos de lítio.

"Por mais provável que você julgue a hipótese de Matthew Fisher, testando-o por meio da abordagem de pesquisa colaborativa do QuBrain, exploraremos a função neuronal com tecnologia de ponta de ângulos completamente novos e com enorme potencial de descoberta, "disse Fromme. Da mesma forma, de acordo com Helgeson, a pesquisa conduzida pela QuBrain tem potencial para avanços nas áreas de biomateriais, catálise bioquímica, emaranhamento quântico em soluções químicas e transtornos do humor em humanos, independentemente de os processos quânticos ocorrerem ou não no cérebro.