В настоящее время существование в мозгу кубитов считается крамолой, граничащей с лженаукой. Единственный крупный физик, который был родоначальником и продолжает поддерживать эту идею – Р. Пенроуз, однако остальные ученые считают, что мозг является слишком «теплым и влажным», поэтому тепловое движение разрушит любые когерентные образования, даже если они каким-то образом будут возникать.

Примечание. Разрушение будет происходить в течение интервала времени, обратно пропорционального частоте тепловых колебаний Δt ~ 1/ν ~ (10^-11 – 10^-12) сек: какие-либо вычисления за это время произвести невозможно.

Из общих философских соображений ясно, что наилучший способ преодолеть разрушающее действие тепловых колебаний заключается в том, чтобы образовывать кубиты из самих тепловых колебаний. Этого можно добиться путем их синхронизации: в результате тепловые колебания преобразуются в когерентные акустические моды, из которых уже могут формироваться кубиты.

В данном разделе указаны механизмы, посредством которых может происходить синхронизация тепловых колебаний липидных молекул в составе миелиновых оболочек аксонов.

В соответствие с хорошо известными радиофизическими законами, генерация когерентных колебаний имеет место при выполнении 2-х условий:

1. наличие резонатора, настроенного на частоту колебаний атомов или молекул, составляющих «активную среду» генератора,

2. наличие источника энергии, посредством которого создается инверсная заселенность резонансных уровней.

1. Объект может служить резонатором, если затухание колебательных мод относительно невелико. На первый взгляд, это сразу «ставит крест» на возможность получить акустические резонансы в диапазоне частот ν ~ (10¹¹ – 10¹²) гц, поскольку постоянная затухания гиперзвуковых волн в этом диапазоне α ~ 10⁴ см^-1: волны затухают на длине ℓ ~ α^-1 ~ 10^-4 см, т.е. всего 1 мкм.

Однако, имеются 2 причины, благодаря которым волны, имеющие столь большое затухание, все равно могут испытывать резонанс.

1) Радиус самого внутреннего цилиндрического слоя липидов, составляющих миелиновые оболочки аксонов, имеет величину r ~ 10^-6 см, соответственно, длина окружности этого слоя 2πr ~ 6*10^-6 см в 15 раз меньше длины, на которой происходит затухание, поэтому данный слой может служить кольцевым резонатором.

2) Основной вклад в затухание вносят столкновения с фононами указанных частот, а в процессе синхронизации количество таких фононов уменьшается, что приводит к уменьшению затухания (среда в резонаторе «просветляется»).

Таким образом, акустоэлектрические колебания, соответствующие тепловым колебаниям липидов, могут испытывать резонанс, по меньшей мере, в 15 внутренних липидных слоях миелиновых оболочек.

В работах [1,2] показано, что собственная частота колебаний липидных молекул лежит именно в диапазоне (10¹¹ - 10¹²) гц, причем частоты колебаний длинного гидрофобного «хвоста» группируются в районе 10¹¹ гц, а частоты колебаний короткой гидрофильной «головки» – в районе 10¹² гц. Более того, слои полярных головок и гидрофобных хвостов имеет именно такую толщину, при которой данные акустические колебания распространяются в этих слоях в волноводном режиме.

Поскольку слои имеют цилиндрическую форму, и волны распространяются в волноводном режиме, происходит наложение волн, в результате чего образуются резонансные моды. Это означает, что слои липидных молекул в миелиновых оболочках служат кольцевыми резонаторами: в липидных слоях миелиновых оболочек выполнены условия для резонанса тепловых колебаний молекул, из которых образованы эти слои.

Резонанс испытывают тепловые колебания тех самых частей липидных молекул (полярных головок и гидрофобных хвостов), из которых состоят эти слои.

2. Накачка может осуществляться с помощью 2-х физических механизмов [1,2]:

а) за счет ионных токов, протекающих через перехваты Ранвье, которые расположены на концах каждого отрезка миелиновой оболочки аксона длиной ~ 1 мм: плотность ионного тока в перехватах Ранвье достаточна для создания инверсной заселенности колебательных уровней, разделенных частотой 10¹¹ гц,

б) за счет эффекта «пара спинов».

Эффект «пара спинов» имеет место, когда 2 противоположно ориентированные спина приложены к объекту несимметрично относительно его центра инерции. В этом случае, угловые частоты вращений, которые придают данному объекту эти 2 спина, будут несколько различными, в результате чего объект будет совершать вращение с разностной частотой (Δω). Если разность угловых частот будет иметь величину Δω ~ 2π*10¹² рад/сек, то синхронизироваться будут колебания частотой (1/2π)*Δω ~ 10¹² гц.

Эффект «пара спинов» имеет наибольшую величину для полярных головок липидов. Однако имеется еще одна возможность: молекулами, на которых проявляется эффект «пара спинов», могут служить молекулы воды, располагающиеся между полярными головками соседних липидных слоев. Своим вращением с указанной угловой частотой молекулы воды синхронизируют колебания полярных головок, с которыми находятся в непосредственном контакте.

Особенностью резонансных мод кольцевых резонаторов является то, что имеется 2 основных типа таких мод: стоячие и бегущие резонансные волны. Кроме того, все остальные моды выражаются в виде суперпозиции указанных 2-х мод. Если стоячую моду обозначить |0>, а бегущую моду |1>, то любая другая колебательная мода (КМ) кольцевого резонатора может быть представлена в виде:

КМ = (1 - КБВ)^1/2 |0> + (КБВ)^1/2 |1>, здесь КБВ – коэффициент бегущей волны.

Если совокупность всех колебательных мод кольцевого резонатора обозначить Ψ и ввести обозначения α = (1 - КБВ)^1/2 и β = (КБВ)^1/2, то данная совокупность может быть представлена в виде: |Ψ> = α |0> + β |1>, т.е. будет полностью соответствовать стандартной форме кубита.

Это означает, что при выполнении некоторых дополнительных условий, совокупность колебательных мод кольцевого резонатора будет обладать теми же свойствами, которыми обладает двухуровневая квантовая система, и действительно может выполнять функцию кубита, который естественно именовать «кольцевой кубит».

Резонатор является макрообъектом, поэтому кольцевой кубит является макроскопическим. В этом отношении кольцевые кубиты подобны сверхпроводящим кубитам, однако кольцевые кубиты обладают преимуществом по сравнению с ними, поскольку способны функционировать при нормальной температуре.

На основании вышеизложенного можно заключить, что мозг способен работать подобно квантовому компьютеру на кольцевых кубитах.

Оценим время жизни колебательных мод с частотами 10¹¹ гц и 10¹² гц, генерируемых в миелиновой сети мозга.

Время жизни колебательной моды, порождаемой прохождением потенциала действия через перехват Ранвье, можно оценить следующим образом: t ~ Q*τ ~ 0,1 сек, здесь τ ~ 10^-3 сек – длительность потенциала действия, Q ~ 10² – добротность кольцевых резонаторов, образованных липидными слоями в миелиновых оболочках аксонов. Таким образом, время декогеренции кубитов, образованных колебательными модами в гидрофобных слоях миелиновых оболочек, совпадает с интервалом времени между двумя соседними потенциалами действия, имеющим величину ~ 0,1 сек.

Накачка посредством эффекта «пара спинов» действует непрерывно, однако, прохождение потенциала действия разрушает синхронность колебаний полярных головок липидных молекул, поэтому синхронность сохраняется в течение промежутка времени между двумя соседними потенциалами действия. Это означает, что время декогеренции кубитов, образованных колебательными модами в гидрофильных слоях полярных головок, также имеет величину ~ 0,1 сек.

В итоге, оба типа кубитов существуют в течение одинакового интервала времени, равного 0,1 сек. Если время выполнения одного квантового гейта (логической операции) принять равным стандартной величине 1 нсек, то за время 0,1 сек можно выполнить 10⁸ гейтов, – этого количества вполне достаточно для реализации квантовых алгоритмов.

Описанные кубиты в количестве 10-20 штук могут образовываться в каждом отрезке миелиновой оболочки длиной 1 мм (каждый такой отрезок оканчивается перехватом Ранвье). Средняя длина аксонов составляет ~ 10 см, а общее количество аксонов в мозгу имеет величину ~ 10¹¹, поэтому количество таких участков 10²*10¹¹ ~ 10¹³. Если в каждом из этих участков будет формироваться 10-20 кубитов, то мозг может содержать (1-2)*10¹⁴ кубитов.

Квантовый компьютер с таким количеством кубитов способен справиться с любой проблемой: в пространстве состояний размерностью 2^{(10^14)} достаточно «места», чтобы хранить образы, которые рождаются в мозгу в течение всей жизни.

Пространством состояний квантового компьютера считается абстрактное гильбертово пространство, в котором каждому состоянию соответствует определенный вектор данного пространства. Однако, имеет смысл ввести более общее гильбертово-проективное пространство, точками которого служат прямые гильбертова пространства.

Автор предлагает рассматривать это гильбертово-проективное пространства не как «абстрактное», а как реально существующее.

Каждый образ сознания соответствует точке гильбертово-проективного пространства, а совокупность точек, соответствующих всем векторам состояния квантового компьютера мозга, образует геометрическую фигуру, которая отображает совокупность всех образов, которые воспринимает и обрабатывает мозг.

Работа информационной системы мозга заключается в том, чтобы постоянно воспроизводить и дополнять эту фигуру новыми точками. Таким образом, «энграмма памяти» формируется не в нейронной сети мозга, а в гильбертово-проективном пространстве. В течении жизни каждый человек формирует в этом пространстве свою геометрическую фигуру, которая является индивидуальным «отпечатком» как сознательной, так и бессознательной (включая интуитивную) мыслительной деятельности.

Согласно предлагаемой точке зрения, нет необходимости, чтобы запоминаемые образы коррелировали с физическими или химическими изменениями в нейронной сети мозга. Все физические и химические изменения, которые происходят в мозгу, лишь подготавливают реализацию гейтов в квантовом компьютере мозга, который осуществляет свою работу в гильбертово-проективном пространстве.

Предложенная модель разрешает проблему сознания и в философском плане, в частности, поставленную Декартом проблему дуализма материи и сознания.

Материальным носителем сознания служит интерференционная картина, образованная когерентными гиперзвуковыми колебаниями в полярных и неполярных слоях миелиновых оболочек нейронов. Этой картине соответствует идеальный (духовный) образ в виде геометрической фигуры в гильбертово-проективном пространстве.

Однако данные две сущности не являются независимыми: они связаны друг с другом посредством кубитов, что устраняет декартовский дуализм духа и материи.

Если изложенная природа сознания соответствует действительности, и информационная система мозга действительно функционирует как квантовый компьютер с кубитами в виде акустических кольцевых резонансов, то искусственный интеллект целесообразно создавать в виде квантового компьютера, кубитами которого будут служить суперпозиции кольцевых резонансов.

Как все квантовые компьютеры, данный компьютер будет представлять собой цифровой компьютер с аналоговым управлением. В разные моменты времени будут интерферировать разные колебательные моды, которые будут выбираться из каждого кубита в соответствие с выполняемыми гейтами (включая запутанные состояния, при реализации которых интерференционная картина будет иметь «размытый» вид).

Резонансы могут иметь не только акустическую, но и электромагнитную природу. Диапазон частот также может быть произвольным, поэтому количество возможных типов «кольцевых квантовых компьютеров» чрезвычайно велико.

В работе исследуется относительно новое направление в науке о мозге, которое получило наименование «квантовое сознание», в соответствие с которым мозг работает подобно квантовому компьютеру.

Приведены аргументы, что «местом обитания» кубитов квантового компьютера мозга являются цилиндрические слои миелиновых оболочек аксонов: в этих слоях может происходить синхронизация колебаний составляющих эти слои липидов, в результате чего образуются когерентные колебания, из которых формируются кубиты.

Выдвинуто предложение о создании Искусственного Разума, который будет в максимальной степени моделировать работу информационной системы мозга, т.е. будет использовать кольцевые кубиты, хотя физическая природа этих кубитов (природа резонансных мод в кольцевых резонаторах) может быть самой различной.

Изложенные в работе выводы могут быть подвергнуты экспериментальной проверке. Эксперименты могут быть проведены в 2-х направлениях:

во-первых, можно обнаружить наличие в белом веществе мозга когерентных акустических колебаний в диапазоне частот (10¹¹ - 10¹²) гц,

во-вторых, целесообразно построить простейшую разновидность квантового компьютера на кольцевых кубитах и убедиться в его работоспособности.

Примечание. Наиболее простой эксперимент первого типа – обнаружить полосы поглощения на частотах (10¹¹ - 10¹²) гц в рассеянном лазерном свете при прохождении пучков аксонов. Эксперименты второго типа целесообразно начать с создания кольцевого квантового компьютера в Мгц диапазоне.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, Каким быть Искусственному Разуму? // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25949, 16.12.2019

2. В.А. Шашлов, Новый класс квантовых компьютеров // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 26028, 18.01.2020