Исходные идеи, лежащие в основе предлагаемой концепции сознания, родились у автора в начале 80^х годов ХХ года, однако были опубликованы только через 12 лет [1].

Главная идея заключалась в том, что информационные процессы в мозгу протекают на сверхвысоких частотах (СВЧ), и эти колебания имеют акустоэлектрическую природу. Такие колебания имеют достаточно малую длину волны, чтобы «уместиться» в мембранах нейронов, благодаря чему мембраны могут служить для этих колебаний волноводами и резонаторами, и мозг сможет использовать для обработки информации полный набор радиофизических и волоконно-оптических методов.

В работе [1] приведена количественная оценка пороговой величины плотности ионного тока, при которой мощность, передаваемая колебательным модам субъединиц ионных каналов, достаточна для синхронизации мод. Показано, что реальная плотность ионного тока, протекающего через перехваты Ранвье, совпадает с пороговой величиной, т.е. выполнено главное условие для реализации акустического лазерного эффекта.

Второе необходимое условие реализации акустического лазерного эффекта – наличие обратной связи – также выполнено: перехваты Ранвье заключены между отрезками миелиновых оболочек, в которых липидные бислои образуют периодическую решетку, создающую распределенную обратную связь.

На основании этого сделан вывод, что в перехватах Ранвье имеет место генерация когерентных акустоэлектрических колебаний с частотой (0,5 - 1)*10¹¹ Гц, равной собственной частоте колебаний субъединиц ионных каналов.

Учитывая важность данного результата, повторим способ его получения. Перехваты Ранвье представляют собой гиперзвуковые аналоги лазеров, поскольку в них реализуются оба условия, которые необходимы для осуществления акустоэлектрического лазерного эффекта: 1) накачка, 2) обратная связь.

1) Накачка осуществляется протекающим через перехваты Ранвье ионным током. Ионные каналы являются селективными, поэтому большую часть своей энергии ионы передают субъединицам, которые выстилают внутреннюю поверхность каналов и с которыми ионы осуществляют непосредственный контакт. Величина выделяемой на колебательных модах субъединиц мощности имеет достаточно большую величину, чтобы компенсировать все потери, связанные с затуханием мод.

2) Обратная связь создается периодической структурой, образованной слоями липидных молекул в миелиновых оболочках (а также регулярным расположением ионных каналов). Толщина липидного бислоя d₁ ~ 0,75*10^-6 см, поэтому обратная связь имеет место для волн длиной λ₁ ~ 2d₁ ~ 1,5*10^-6 см. Поскольку скорость акустоэлектрических волн v ~ 1,5*10⁵ см/сек, резонансная частота ν₁ ~ v /λ₁ ~ 10¹¹ Гц.

Итак, в перехватах Ранвье выполнены оба условия, которые необходимы для реализации акустоэлектрического лазерного эффекта: имеются частицы, на колебательные уровни которых поступает достаточно мощный поток энергии, и эти частицы находятся в резонаторе, резонансная частота которого совпадает с частотой переходов между этими уровнями.

В декабре 2018 года, убедившись, что за четверть века идея генерации в мембранах нейронов когерентных колебаний, равно как и модели Фрёлиха и Пенроуза, не получили развития, автор опубликовал работу [2], в которой высказал гипотезу, что генерируемые в перехватах Ранвье гиперзвуковые колебания выполняют функцию кубитов, что позволяет мозгу работать в режиме квантового компьютера.

В данной работе сделан следующий шаг в понимании механизма работы информационной системы мозга: в мембранах аксонов могут генерироваться когерентные колебания более высокой частоты (~ 10¹² Гц), из которых действительно формируются «мозговые кубиты», а колебания, которые генерируются в перехватах Ранвье, выполняют функцию управления этими кубитами.

Колебания более высокой частоты генерируются в еще более тонких слоях миелиновых оболочек, а именно, в слоях, образованных полярными головками липидных молекул. Толщина этих слоев d₂ ~ (0,7-0,8)*10^-7 см, поэтому данные слои могут служить волноводами для волн, длина которых λ₂ ≤ 2d₂ ~ 1,5*10^-7 см, а частота ν₂ ~ v/ λ₂ ≥ 10¹² Гц.

Именно такую величину имеет собственная частота колебаний полярных головок. Масса полярных головок в 100 раз меньше массы субъединиц ионных каналов, а коэффициент упругой связи имеет примерно такую же величину, поэтому собственная частота колебаний полярных головок в (100)^1/2 ~ 10 раз больше: ν₂ ~ 10*10¹¹ ~ 10¹² Гц.

Для слоев, образованных полярными головками липидов, также выполнено условие согласования толщины этого слоя с собственной частотой колебаний полярных головок, благодаря чему данные колебания способны распространяться в этих слоях в волноводном режиме и образовывать резонансные моды.

Как в перехватах Ранвье, для генерации когерентных колебаний в слоях полярных головок также должны быть выполнены 2 условия: наличие обратной связи и накачки.

С обратной связью проблем не возникает: в данном случае даже нет необходимости в периодической структуре, – обратная связь образуется за счет того, что слои полярных головок имеют форму тонкостенных цилиндров, поэтому волны, которые направлены по касательным к окружностям, которые являются образующими цилиндрического слоя, многократно обходят слой, интерферируя сами с собой (как в кольцевых резонаторах).

Сложнее вопрос с накачкой: никаких потоков энергии через слой полярных головок не наблюдается. В данном случае накачка осуществляется за счет эффекта «пара спинов», благодаря которому энергия составляющих «пару» спиновых моментов преобразуется в энергию колебательных мод полярных головок.

Эффект «пара спинов» возникает, когда к объекту приложены 2 одинаковых противоположно ориентированных спина (подробнее см. [3,4]).

Согласно принципу Паули, данные спины полностью компенсируют друг друга, и эффект «пара спинов» отсутствует. Однако, данная формулировка принципа Паули справедлива лишь для 2-х весьма частных случаев:

1. спиновые моменты количества движения располагаются вдоль одной прямой,

2. спиновые моменты приложены на одинаковом расстоянии от центра инерции.

При выполнении каждого из этих условий, спиновые моменты придают объекту одинаковые угловые скорости, вследствие чего эффект «пара спинов» действительно никак не проявляется (для реализации эффекта требуется бесконечное время) [3,4].

Однако, в общем случае, спины не лежат на одной прямой и точки приложения спинов расположены несимметрично относительно центра инерции. Это означает, что моменты инерции I₁, I₂ относительно точек приложения спинов не равны: I₁ ≠ I₂, и угловые скорости, которые придают объекту входящие в «пару» одинаковые моменты количества движения (J₁ ~ J₂ ~ J), также не равны друг другу: ω₁ ~ J/I₁, ω₂ ~ J/I₂, ω₁ ≠ ω₂.

Результатом наложения параллельных вращений ω₂, ω₁ является вращение с угловой скоростью Δω ~ ( ω₂ - ω₁). Данное вращение представляет собой проявление эффекта «пары спинов»: за счет эффекта «пара спинов» два высокочастотных вращения порождают вращение с меньшей угловой скоростью.

Эффект «пара спинов» наиболее ярко проявляется для полярных молекул, поскольку в них составляющие «пару» спины электронов могут располагаться на максимально большом расстоянии от центра инерции. В биологических мембранах эффект «пара спинов» реализуется для полярных головок липидных молекул.

Преобразование энергии «пары спинов» в энергию колебательных уровней полярных головок будет иметь резонансный характер, если частота ν ~ (1/2π) Δω будет совпадать с собственной частотой ν₂ ~ 10¹² Гц колебаний полярных головок.

Угловые скорости, придаваемые полярным головкам спинами, составляющими «пару спинов», имеют величину ω₂, ω₁ ~ 10²² рад/сек. Достаточно, чтобы величина Δω составляла всего 6*10^-10 от величин ω₂, ω₁, и равенство ν ~ ν₂ ~ 10¹² Гц будет выполнено.

Примечание. Для этого требуется, чтобы разность моментов инерции полярных головок относительно точек приложения 2-х спинов имела величину (I₂ - I₁)/I ~ 6*10^-10, где I ~ I₁,I₂: для полярных головок липидов столь незначительная степень не симметрии в расположении спинов относительно центра инерции вполне реальна.

Преобразование энергии спиновых моментов в колебательную энергию полярных головок обеспечивает накачку колебательных мод. Поскольку порождаемая «парой спинов» частота совпадает с частотой собственных колебаний, накачка будет иметь резонансный характер, т.е. будет осуществляться максимально эффективно.

Итак, в слоях полярных головок липидов, составляющих миелиновые оболочки аксонов, может иметь место эффективное преобразование энергии спиновых моментов количества движения в колебательную энергию данных головок, в результате чего создается инверсная заселенность колебательных уровней, что приводит к генерации когерентных колебаний частотой ν₂ ~ 10¹² Гц.

В мембранах нейронов может иметь место еще один механизм преобразования хаотических тепловых колебаний в когерентные акустоэлектрические колебания: этот механизм реализуется в наиболее тонких слоях, каковыми являются слои полярных головок липидов в миелиновых оболочках аксонов.

В соответствие с вышеизложенным, в мембранах аксонов имеют место 2 неизвестных ранее физических эффекта, благодаря которым происходит генерация когерентных акустоэлектрических колебаний с частотами ν₁ ~ 10¹¹ Гц и ν₂ ~ 10¹² Гц. Наличие данных 2-х видов когерентных колебаний позволяет в полной мере использовать радиофизические и волоконно-оптические принципы обработки информации. Естественно предположить, что именно на этих принципах работает информационная система мозга.

Согласно предлагаемой точке зрения, информационная систем мозга представляет собой аналог радиофизических и опто-волоконных устройств, в которых электромагнитные волны заменены на акустоэлектрические волны.

Колебания частотой ν₂ ~ 10¹² Гц образуются в наиболее тонких слоях, которые имеются в миелиновых оболочках аксонов: в слоях полярных головок липидных молекул. Данные слои имеют форму тонкостенных цилиндров, поэтому колебания могут образовывать 2 вида резонансов: резонансы стоячих волн и резонансы бегущих волн.

Данные 2 вида резонансов различаются количеством полуволн, которое укладывается на средней окружности цилиндрического слоя:

1) если количество полуволн является четным (количество волн целое), то обойдя по средней окружности, волна возвратится в исходное сечение в той же самой фазе (в фазе с самой собой), благодаря чему сможет беспрепятственно продолжить свое движение, – это соответствует резонансам бегущих волн,

2) если количество полуволн нечетное, то в исходную точку волна возвратится в противофазе: в этом сечении образуется узел стоячей волны, словно в данное сечение вставлена металлическая пластина, две поверхности которой создают обычный объемный резонатор, – это соответствует резонансам стоячих волн.

Естественно, могут реализоваться все промежуточные состояния, когда разность фаз принимает все возможные значения в интервале от 0 до π. Каждое из этих состояний характеризуется минимальным (А_min) и максимальным (А_max) значением амплитуды в узлах и пучностях резонансной моды. Отношение данных величин носит название «коэффициент бегущей волны»: КБВ = А_min / А_max.

Величина КБВ принимает все возможные значения в интервале [0,1]: значение «0» соответствует чисто стоячим волнам, а значение «1» – чисто бегущим волнам. Это означает, что при некоторых дополнительных условиях, множество значений КБВ может выполнять функцию квантового бита (кубита), который, как известно, также принимает все значения в интервале [0,1]. Эти дополнительные условия таковы:

1. при измерении КБВ должно всегда должны получаться значения либо «0», либо «1»: данные значения соответствуют двум граничным состояниям кубита |0> и |1>,

2. кубит |Ψ> связан с множеством всех значений КБВ следующим соотношением: |Ψ> = (1 - КБВ)^1/2 |0> + (КБВ)^1/2 |1>.

Данное представление кубита вполне законно, поскольку выполнено условие нормировки [(1 - КБВ)^1/2]² + [(КБВ)^1/2]² = 1, из которого следует, что значение КБВ представляет собой вероятность измерения кубита в состоянии |1>, а величина (1 - КБВ) равна вероятности измерения кубита в состоянии |0>. Колебательная мода непременно будет обнаружена или в состоянии |0>, или в состоянии |1>.

Оба указанные условия будут выполнены, если измерение состояния кубита будет производиться путем измерения магнитного момента цилиндрического слоя, в котором сформирован кубит, или, что равноценно, – путем измерения кругового тока в этом слое.

Дело в том, что в состоянии |1> бегущие акустоэлектрические волны переносят вдоль окружности цилиндрического слоя заряд, что приводит к возникновению кругового тока, который создает магнитный момент, тогда как в состоянии |0>, в котором имеются только стоячие волны, круговой ток и магнитный момент отсутствуют.

Величина кругового тока имеет строго фиксированное значение и не зависит от величины КБВ. Это объясняется тем, что круговой ток возникает лишь в том случае, если поворачиваются все полярные головки, расположенные по окружности цилиндрического слоя, а частота, с которой осуществляется поворот головок, равна частоте бегущей волны. Это означает, что при любом значении КБВ, круговой ток создается вращением заряда, имеющего одну и ту же величину, и это вращение совершается с одной и той же частотой, что обеспечивает одинаковую величину тока и, следовательно, магнитного момента.

Осталось выполнить требование, что вероятность возникновения кругового тока и порождаемого им магнитного момента совпадает с величиной КБВ. Это совпадение является прямым следствием пропорциональности между значением КБВ и вероятностью образования кругового тока: чем больше амплитуда бегущей волны, тем с большей вероятностью она способна поворачивать полярные головки и создавать круговой ток.

Итак, в слоях полярных головок липидных молекул миелиновых оболочек аксонов могут быть выполнены все условия, чтобы эти слои служили материальным носителем кубитов, на основании чего можно сделать вывод, что информационная система мозга действительно работает в режиме квантового компьютера.

Чтобы обеспечить работу квантового компьютера, необходимо научиться управлять кубитами, т.е. необходимо иметь возможность задать любое значение КБВ в слоях полярных головок, которые служат материальным носителем кубитов мозга.

Значения КБВ можно изменять, изменяя длину слоя полярных головок, в котором формируется колебательная мода. В свою очередь, такое изменение могут осуществлять импульсы акустоэлектрических волн частотой ν₁ ~ 10¹¹ Гц, генерируемые в перехватах Ранвье. Эти импульсы создают эллиптическую деформацию слоев полярных головок, что приводит к изменению длины средней окружности резонатора и, следовательно, к изменению значения КБВ циркулирующих в данном слое волн.

Интервал времени распространения потенциала действия между отрезками миелиновой оболочки имеет строго определенную величину. Это означает, что кубиты мозга синхронизированы, благодаря чему производимые с их помощью вычисления согласованы друг с другом: каждый кубит «запускается» в строго определенный момент времени, что обеспечивает согласованную работу кубитов.

Для работы квантового компьютера мозга не требуется согласовывать кубиты во всех 10¹¹ аксонах, которые имеются в человеческом мозге: достаточно осуществить такое согласование в миелиновой оболочке всего одного аксона.

Каждый аксон содержит в среднем N ~ 100 миелиновых отрезков, разделенных перехватами Ранвье, а в каждом отрезке содержится по меньшей мере n ~ 10 слоев полярных головок. Это означает, что в каждом аксоне может иметься более n*N ~ 1000 кубитов. Квантовый компьютер, включающий такое количество кубитов, способен справиться с любой задачей.

Если мозг действительно является квантовым компьютером, то процесс воспоминания, вероятно, осуществляется в соответствии с алгоритмом поиска записи в неупорядоченной базе данных, предложенным Л. Гровером.

Данная модель объясняет физическую природа сна. Время, в течение которого человек непрерывно находится в состоянии бодрствования – это время, в течение которого кубиты квантового компьютера мозга работают синхронно. По истечении данного времени (в среднем это 16 часов), изменяются условия распространения волн в отдельных слоях полярных головок или изменяется время прохождения потенциала действия между какими-то отрезками миелиновых оболочек, и синхронность нарушается.

Во время сна кубиты и их согласованная работа восстанавливаются: формируется новый квантовый компьютер, и сознание вновь «возвращается» к человеку.

В соответствие с предлагаемой моделью информационной системы мозга, ключевым элементом данной системы служат тонкие цилиндрические структуры, образованные слоями полярных головок липидов. Циркулирующие в этих слоях акустоэлектрические волны являются главным носителем информации в человеческом мозге, формируя кубиты, которые составляют квантовый компьютер мозга.

Наилучшей конструкцией искусственного интеллекта будет являться квантовый компьютер, построенный из ячеек цилиндрической формы, в которых будет создаваться запутанная суперпозиция стоячих и бегущих резонансных мод, формирующих кубиты этого компьютера. Существенно, что эти моды могут иметь любую природу: акустоэлектрическую, электромагнитную и даже метахрональную.

Данную разновидность квантового компьютера будем именовать «цилиндрический квантовый компьютер». Таким образом, оптимальной моделью информационной системы мозга будет являться «цилиндрический квантовый компьютер».

В настоящее время, запутанные фотоны передаются по оптическим волокнам на многие сотни километров. Вполне возможно «скрутить» из этих волокон 200-300 колечек и сформировать из них многосвязную конструкцию, которая будет представлять собой цилиндрический квантовый компьютер в оптическом диапазоне.

Другая возможность создания компьютера, моделирующего информационную систему мозга, – это конструкция связанных акустических кольцевых резонаторов, причем резонансная частота этих резонаторов может принадлежать любому диапазону: не исключено, что такие компьютеры могут быть реализованы даже в МГц-диапазоне.

Цилиндрический квантовый компьютер может иметь чрезвычайно много различных модификаций, которые будут различаться топологией соединения тонкостенных цилиндров, в которых будут формироваться кубиты. Данная топология будет определять «архитектуру» квантового компьютера.

В течение 2020 года автор намерен детально исследовать все возможные типы конструкций «цилиндрических квантовых компьютеров», чтобы в 2021 году приступить к реализации тех конструкций, которые окажутся наиболее перспективными.

Исследование «цилиндрических квантовых компьютеров», как возможной основы для конструирования Искусственного Разума, может быть значительно ускорено, если к этому исследованию подключится Альянс из 6 компаний («Сбербанк», «Яндекс», «Mail.ru Group», «МТС», «Российский фонд прямых инвестиций», «Газпром нефть»), созданный для реализации «Стратегии развития искусственного интеллекта».

Данная работа является продолжением работы [1], основным результатом которой является утверждение, что перехваты Ранвье являются гиперзвуковыми аналогами лазеров с распределенной обратной связью, работающими на частоте ~ 10¹¹ Гц.

Аналогичный процесс имеет место в слоях полярных головок липидных молекул: эффект «пара спинов» возбуждает в слоях полярных головок миелиновых оболочек аксонов когерентные акустоэлектрические колебания частотой ~ 10¹² Гц.

Наличие данных 2-х видов когерентных колебаний позволяет мозгу работать в режиме квантового компьютера: колебания частотой ~ 10¹² Гц формируют кубиты, а колебания частотой ~ 10¹¹ Гц служат для управления кубитами.

Для функционирования информационной системы мозга используются наиболее мелкие структурные элементы, которые имеются в мембранах аксонов. Эти элементы образованы даже не молекулами, а частями молекул: полярными головками липидов, из которых построены миелиновые оболочки аксонов. Вместе с тем, эти элементы – слои полярных головок липидов – имеют форму тонких цилиндрических слоев, размер которых позволяет им служить резонаторами для собственных колебаний самих полярных головок. Кроме того, за счет эффекта «пара спинов» происходит накачка данных колебаний, и они преобразуются из хаотических в когерентные.

Сочетание всех перечисленных свойств позволяет данным элементам выполнять функцию материального носителя кубитов, образующих квантовый компьютер мозга.

Из результатов данной работы следует возможность создания нового типа квантовых генераторов акустоэлектрических волн, в которых накачка будет осуществляться с помощью эффекта «пара спинов». В данных генераторах будет осуществляться преобразование энергии спиновых моментов количества движения в энергию колебательного движения молекул.

Наиболее точными моделями информационной системы мозга будут являться конструкции, в которых будут использоваться данный тип генераторов.

Предложены пути, на которых возможно создание Искусственного Разума, который будет работать на тех же физических принципах, на которых работает человеческое сознание. По мнению автора, данные пути являются наиболее перспективными, и исследование этих путей непременно должно быть включено в качестве отдельного пункта в Национальный проект «Цифровая экономика».

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Шашлов, «Радиофизика», Изв. Вузов, 1994, вып.1, с. 103

2. В.А. Шашлов, Мозг, как квантовый компьютер // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25041, 25.12.2018

3. В.А. Шашлов, Новый физический эффект: пара спинов» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25730, 12.09.2019

4. В.А. Шашлов, Магнитные моменты и массы нуклонов» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ. 25855, 06.11.2019