Мэдрэлийн кубит буюу тархины квант компьютер хэрхэн ажилладаг талаар

2024 Зохиолч: Seth Attwood | [email protected]. Хамгийн сүүлд өөрчлөгдсөн: 2023-12-16 16:12

Гиперсоник муж дахь мэдрэлийн эсийн мембранд тохиолддог физик процессуудыг зааж өгсөн болно. Эдгээр процессууд нь тархины мэдээллийн систем болох квант компьютерын үндсэн элементүүдийг (кубит) үүсгэх үндэс суурь болж чадна гэдгийг харуулж байна. Тархи ажилладаг ижил физик зарчим дээр суурилсан квант компьютерийг бүтээхийг санал болгож байна.

Материалыг таамаглал болгон танилцуулж байна.

Танилцуулга. Асуудлын томъёолол

Энэхүү бүтээл нь өмнөх ажлын [1] эцсийн (No12) дүгнэлтийн агуулгыг илчлэх зорилготой юм. "Тархи нь квант компьютер шиг ажилладаг бөгөөд үүнд мэдрэлийн эсийн миелин бүрхүүлийн хэсгүүдийн уялдаа холбоотой акусто-цахилгаан хэлбэлзэл нь кубитуудын үүргийг гүйцэтгэдэг бөгөөд эдгээр хэсгүүдийн хоорондын холболтыг NR-ээр дамжуулан орон нутгийн бус харилцан үйлчлэлийн улмаас гүйцэтгэдэг.¹-шууд".

Энэхүү дүгнэлтийн үндэс болсон үндсэн санаа нь дөрөвний нэг зууны өмнө "Радиофизика" [2] сэтгүүлд нийтлэгдсэн. Энэ санааны мөн чанар нь нейтроны салангид хэсгүүдэд, тухайлбал Ранвиерийн тасалдалд ~ 5 * 10 давтамжтай когерент акустоэлектрик хэлбэлзэл үүсдэг явдал байв.¹⁰Гц бөгөөд эдгээр хэлбэлзэл нь тархины мэдээллийн систем дэх мэдээллийн гол тээвэрлэгч болдог.

Энэ цаас үүнийг харуулж байна нейронуудын мембран дахь акустоэлектрик хэлбэлзлийн горимууд нь квант компьютерийн хувьд тархины мэдээллийн системийн ажлыг үндэслэсэн кубит функцийг гүйцэтгэх чадвартай байдаг..

Зорилго

Энэхүү ажил нь 3 зорилготой:

1) 25 жилийн өмнө мэдрэлийн эсийн мембранд уялдаатай хэт авианы хэлбэлзэл үүсч болохыг харуулсан ажил [2] -д анхаарлаа хандуулах;

2) мэдрэлийн эсийн мембран дахь уялдаа холбоотой хэт авианы хэлбэлзэл дээр суурилсан тархины мэдээллийн системийн шинэ загварыг тайлбарлах;

3) тархины мэдээллийн системийн ажлыг хамгийн дээд хэмжээгээр дуурайлган хийх шинэ төрлийн квант компьютерийг санал болгох.

Ажлын агуулга

Эхний хэсэгт 5 * 10 дарааллын давтамжтай уялдаатай акустоэлектрик хэлбэлзлийн мэдрэлийн эсийн мембран дахь физик механизмыг дүрсэлсэн болно.¹⁰Гц.

Хоёрдахь хэсэгт мэдрэлийн эсийн мембранд үүссэн уялдаатай хэлбэлзэлд суурилсан тархины мэдээллийн системийн зарчмуудыг тайлбарласан болно.

Гурав дахь хэсэгт тархины мэдээллийн системийг дуурайдаг квант компьютер бүтээхийг санал болгож байна.

I. Нейроны мембран дахь уялдаа холбоотой хэлбэлзлийн шинж чанар

Нейроны бүтцийг мэдрэл судлалын аливаа монографид дүрсэлсэн байдаг. Нейрон бүр нь үндсэн биетэй, бусад эсүүдээс дохио хүлээн авдаг олон процесс (дендрит), мөн цахилгаан импульс (үйл ажиллагааны потенциал) ялгаруулдаг урт процесс (аксон) агуулдаг.

Ирээдүйд бид зөвхөн аксонуудыг авч үзэх болно. Аксон бүр өөр хоорондоо ээлжлэн 2 төрлийн хэсгүүдийг агуулна.

1. Ранвиерийн бөмбөг таслалт, 2. миелин бүрхүүл.

Ranvier-ийн тасалдал бүр нь миелинжсэн хоёр сегментийн хооронд байрладаг. Ранвиерийн саатлын урт нь миелин сегментийн уртаас 3 дахин бага: Ранвиерийн тасалдалтын урт нь 10 байна.^-4см (нэг микрон), миелиний сегментийн урт нь 10 байна^-1см (нэг миллиметр).

Ranvier-ийн хөндлөнгийн оролцоо нь ионы суваг суулгасан газрууд юм. Эдгээр сувгуудаар дамжуулан Na ионууд⁺ болон К⁺ аксон руу нэвчиж, улмаар үйл ажиллагааны потенциал үүснэ. Одоогийн байдлаар үйл ажиллагааны потенциал үүсэх нь Ранвиерийн хөндлөнгийн оролцооны цорын ганц үүрэг гэж үздэг.

Гэсэн хэдий ч [2] ажилд Ранвиерийн хөндлөнгийн оролцоо нь өөр нэг чухал үүргийг гүйцэтгэх чадвартай болохыг харуулсан. Ранвиерийн хөндлөн огтлолцолд уялдаа холбоотой акустоэлектрик хэлбэлзэл үүсдэг..

Энэхүү эффектийг хэрэгжүүлэхэд шаардлагатай хоёр нөхцөл хангагдсан тул Ранвиерийн хөндлөнгийн оролцоонд хэрэгждэг акустоэлектрик лазер эффектийн улмаас уялдаа холбоотой акустоэлектрик хэлбэлзэл үүсдэг.

1) чичиргээний горимыг өдөөдөг шахуурга байгаа эсэх;

2) санал хүсэлтийг дамжуулах резонатор байгаа эсэх.

1) Шахуургыг Na ионы урсгалаар хангадаг⁺ болон К⁺Ranvier-ийн тасалдал дундуур урсаж байна. Сувгуудын нягтрал ихтэй тул (10¹² см^-2) ба тэдгээрийн өндөр дамжуулах чадвар (10⁷ ион / сек), Ранвиерийн хөндлөн огтлолцолоор дамжих ионы гүйдлийн нягт маш өндөр байна. Сувгаар дамжин өнгөрч буй ионууд нь сувгийн дотоод гадаргууг бүрдүүлдэг дэд хэсгүүдийн чичиргээний горимыг өдөөдөг бөгөөд лазерын нөлөөгөөр эдгээр горимууд синхрончлогдсон бөгөөд уялдаатай гиперсоник хэлбэлзлийг үүсгэдэг.

2) Тархсан санал хүсэлтийг бий болгох резонаторын үүргийг миелин бүрхүүлд байдаг үе үе бүтцээр гүйцэтгэдэг бөгөөд тэдгээрийн хооронд Ранвиерийн хөндлөн огтлолцол хаалттай байдаг. Тогтмол бүтэц нь d ~ 10 зузаантай мембраны давхаргаар үүсдэг^-6 см.

Энэ хугацаа нь λ ~ 2d ~ 2 * 10 резонансын долгионы урттай тохирч байна^-6 см ба давтамж ν ~ υ / λ ~ 5 * 10¹⁰ Гц, υ ~ 10⁵ см / сек - хэт авианы долгионы хурд.

Ионы сувгууд нь сонгомол байдаг нь чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Сувгуудын диаметр нь ионуудын диаметртэй давхцдаг тул ионууд нь сувгийн дотоод гадаргууг бүрхсэн дэд хэсгүүдтэй нягт холбоотой байдаг.

Үүний үр дүнд ионууд энергийн ихэнх хэсгийг эдгээр дэд хэсгүүдийн чичиргээний горимд шилжүүлдэг: ионуудын энерги нь сувгуудыг бүрдүүлдэг дэд хэсгүүдийн чичиргээний энерги болж хувирдаг бөгөөд энэ нь шахах физик шалтгаан болдог.

Лазерын эффектийг хэрэгжүүлэхэд шаардлагатай хоёр нөхцөлийг хангасан нь Ранвиерийн хөндлөнгийн оролцоо нь акустик лазер (одоо тэдгээрийг "сазер" гэж нэрлэдэг) гэсэн үг юм. Мэдрэлийн мембран дахь сазеруудын онцлог шинж чанар нь шахуургыг ионы гүйдэлээр гүйцэтгэдэг. Ранвиерийн хөндлөнгийн оролцоо нь ~ 5 * 10 давтамжтай уялдаатай акустоэлектрик хэлбэлзлийг үүсгэдэг сазерууд юм.¹⁰ Гц.

Лазерын нөлөөгөөр Ранвиерийн хөндлөн огтлолцолоор дамжин өнгөрөх ионы гүйдэл нь эдгээр тасалдлыг бүрдүүлдэг молекулуудын чичиргээний горимыг өдөөдөггүй (энэ нь ионы гүйдлийн энергийг дулааны энерги болгон хувиргах энгийн арга юм): Ranvier-ийн хөндлөнгийн оролцоотойгоор хэлбэлзлийн горимууд синхрончлогдсон бөгөөд үүний үр дүнд резонансын давтамжийн уялдаа холбоотой хэлбэлзэл үүсдэг.

Гиперсоник давтамжийн акустик долгион хэлбэрээр Ranvier-ийн хөндлөнгийн оролцоонд үүссэн хэлбэлзэл нь миелин бүрхүүлд тархаж, тархины мэдээллийн системийн материаллаг зөөвөрлөгч болох акустик (гиперсоник) "хөндлөнгийн хэв маяг"-ыг үүсгэдэг

II. Кубит нь акустоэлектрик чичиргээний горимууд болох квант компьютер шиг тархины мэдээллийн систем

Хэрэв тархинд өндөр давтамжийн когерент акустик хэлбэлзэл байгаа гэсэн дүгнэлт бодит байдалтай нийцэж байгаа бол тархины мэдээллийн систем эдгээр хэлбэлзэл дээр тулгуурлан ажилладаг байх магадлалтай: бичлэг хийхэд ийм багтаамжтай орчин ашиглах нь гарцаагүй. мөн мэдээллийг хуулбарлах.

Тохиромжтой хэт авианы чичиргээ байгаа нь тархи нь квант компьютерийн горимд ажиллах боломжийг олгодог. Хэт авианы хэлбэлзлийн горимын үндсэн дээр мэдээллийн энгийн эсүүд (кубит) үүсдэг "тархи" квант компьютерийг хэрэгжүүлэх хамгийн боломжит механизмыг авч үзье.

Кубит нь үндсэн төлөвүүдийн дурын шугаман хослол юм | Ψ₀> ба |Ψ₁> нормчлолын α нөхцөлийг хангасан α, β коэффициентүүдтэй² + β² = 1. Чичиргээний горимуудын хувьд үндсэн төлөвүүд нь далайц, давтамж, туйлшрал, фаз гэсэн 4 параметрийн аль нэгээр нь ялгаатай байж болно.

Кубит үүсгэхийн тулд далайц ба давтамжийг ашигладаггүй, учир нь аксоны бүх хэсэгт эдгээр 2 параметр нь ойролцоогоор ижил байдаг.

Гурав, дөрөв дэх боломжууд хэвээр байна: туйлшрал ба үе шат. Туйлшрал ба акустик чичиргээний үе шат дээр суурилсан кубитууд нь фотонуудын туйлшрал ба фазыг ашигладаг кубитуудтай бүрэн төстэй байдаг (фотоныг фононоор солих нь үндсэн ач холбогдолгүй).

Тархины миелин сүлжээнд акустик кубит үүсгэхийн тулд туйлшрал ба фазыг хамтад нь ашигладаг байх магадлалтай. Эдгээр 2 хэмжигдэхүүний утга нь аксон миелин бүрээсийн хөндлөн огтлол бүрт хэлбэлзлийн горим үүсгэдэг эллипсийн төрлийг тодорхойлдог. Тархи дахь квант компьютерын акустик кубитуудын үндсэн төлөвийг эллипс туйлшралаар өгдөг..

Тархи дахь аксоны тоо нь мэдрэлийн эсийн тоотой таарч байна: 10 орчим¹¹… Аксон нь дунджаар 30 миелин сегменттэй бөгөөд сегмент бүр нь кубитийн үүрэг гүйцэтгэдэг. Энэ нь тархины мэдээллийн систем дэх кубитийн тоо 3 * 10 хүрч чадна гэсэн үг юм¹².

Ийм тооны кубит бүхий төхөөрөмжийн мэдээллийн багтаамж нь ердийн компьютертэй тэнцэх бөгөөд санах ой нь 2 байна.^{3 000 000 000 000}битүүд.

Энэ утга нь орчлон дахь бөөмсийн тооноос (10) 10 тэрбум дахин их юм.⁸⁰). Тархины квант компьютерын ийм том мэдээллийн багтаамж нь дур мэдэн их хэмжээний мэдээллийг бүртгэж, аливаа асуудлыг шийдвэрлэх боломжийг олгодог.

Мэдээллийг бүртгэхийн тулд та тусгай бичлэг хийх төхөөрөмж үүсгэх шаардлагагүй: мэдээллийг мэдээлэл боловсруулж байгаа ижил орчинд (кубитийн квант төлөвт) хадгалах боломжтой.

Зураг бүр, тэр ч байтугай зургийн "сүүдэр" бүр (өгөгдсөн зургийн бусад зургуудтай бүх харилцан уялдаа холбоог харгалзан) тархин дахь квант компьютерийн квбитийн төлөвийг тусгасан Хилбертийн орон зайн цэгтэй холбоотой байж болно.. Гильбертийн орон зайд нэг цэг дээр олон тооны кубит байх үед энэ дүрс нь ухамсарт "анивчдаг" бөгөөд энэ нь дахин бүтээгддэг.

Тархинд квант компьютерт акустик кубит ороох ажлыг хоёр аргаар хийж болно.

Эхний арга нь: тархины миелин сүлжээний хэсгүүдийн хооронд нягт холбоо байдаг бөгөөд эдгээр контактуудаар дамжин орооцолдох нь дамждаг.

Хоёрдахь арга: нэг чичиргээний горимын олон давталтын үр дүнд орооцолдох нь бий: эдгээр горимуудын хоорондын хамаарал нь нэг квант төлөв болж, тэдгээрийн элементүүдийн хооронд орон нутгийн бус холболт үүсдэг (магадгүй, NR¹- шулуун шугамууд [1]). Орон нутгийн бус холболт байгаа нь тархины мэдээллийн сүлжээг "квант параллелизм" ашиглан тогтмол тооцоолол хийх боломжийг олгодог.

Чухамхүү энэ шинж чанар нь тархины квант компьютерт маш өндөр тооцоолох хүчийг өгдөг.

Тархины квант компьютерийг үр дүнтэй ажиллуулахын тулд 3*10-ыг бүгдийг нь ашиглах шаардлагагүй¹² боломжит кубитууд. Кубитийн тоо нэг мянга орчим байсан ч квант компьютерийн ажиллагаа үр дүнтэй байх болно (10³). Зөвхөн 30 аксоноос бүрдэх нэг аксон багцад ийм тооны кубит үүсч болно (мэдрэл бүр нь "мини" квант компьютер байж болно). Тиймээс квант компьютер нь тархины өчүүхэн хэсгийг эзэлдэг бөгөөд олон тооны квант компьютерууд тархинд байж болно.

Тархины мэдээллийн системийн санал болгож буй механизмын гол эсэргүүцэл нь хэт авианы долгионыг их хэмжээгээр сулруулах явдал юм. Энэ саадыг "гэгээрлийн" нөлөөгөөр даван туулж чадна.

Үүсгэсэн чичиргээний горимуудын эрч хүч нь өөрөө өдөөгдсөн ил тод байдлын горимд тархахад хангалттай байж болно (чичиргээний горимын уялдаа холбоог эвдэж болзошгүй дулааны чичиргээ нь өөрөө энэ чичиргээний горимын нэг хэсэг болдог).

III. Хүний тархитай ижил физик зарчим дээр бүтээгдсэн квант компьютер

Хэрэв тархины мэдээллийн систем үнэхээр квант компьютер шиг ажилладаг бол түүний кубит нь акустоэлектрик горимд ажилладаг бол ижил зарчмаар ажиллах компьютер бүтээх бүрэн боломжтой юм.

Зохиогч ойрын 5-6 сарын хугацаанд тархины мэдээллийн системийг дуурайлган хийдэг квант компьютерийн патент авах хүсэлтээ гаргахаар төлөвлөж байна.

5-6 жилийн дараа бид хүний тархины дүр төрх, дүр төрхөөр ажилладаг хиймэл оюун ухааны анхны дээжүүд гарч ирнэ гэж найдаж болно.

Квантын компьютерууд квант механикийн хамгийн ерөнхий хуулиудыг ашигладаг. Байгаль нь илүү ерөнхий хуулиудыг "зохион бүтээгээгүй" тул энэ нь мэдээжийн хэрэг юм Ухамсар нь байгалиас өгсөн мэдээллийг боловсруулах, бүртгэх хамгийн дээд боломжийг ашиглан квант компьютерийн зарчмаар ажилладаг..

Тархины миелин сүлжээнд уялдаа холбоотой акустоэлектрик хэлбэлзлийг илрүүлэхийн тулд шууд туршилт хийхийг зөвлөж байна. Үүнийг хийхийн тулд тархины миелин сүлжээний хэсгүүдийг лазер туяагаар гэрэлтүүлж, дамжуулсан эсвэл ойсон гэрлийн 5 * 10 давтамжтай модуляцийг илрүүлэхийг хичээх хэрэгтэй.¹⁰ Гц.

Үүнтэй төстэй туршилтыг аксоны физик загвар дээр хийж болно, өөрөөр хэлбэл. ионы суваг бүхий зохиомлоор бүтээгдсэн мембран. Энэхүү туршилт нь тархины ажилтай ижил физик зарчмаар ажиллах квант компьютерийг бүтээх эхний алхам болно.

Тархи шиг ажилладаг (тархинаас илүү сайн) квант компьютерийг бүтээх нь соёл иргэншлийн мэдээллийн дэмжлэгийг чанарын шинэ түвшинд гаргах болно.

Дүгнэлт

Зохиогч тархины мэдээллийн системийн механизмыг ойлгох, ухамсрын мөн чанарыг тодорхойлоход чухал ач холбогдолтой байж болох дөрөвний нэг зууны өмнөх [2] ажилд шинжлэх ухааны нийгэмлэгийн анхаарлыг хандуулахыг оролдсон. Ажлын мөн чанар нь мэдрэлийн мембраны салангид хэсгүүд (Ранвиерийн хөндлөнгийн оролцоо) нь уялдаа холбоотой акустоэлектрик хэлбэлзлийн эх үүсвэр болдог гэдгийг батлах явдал юм.

Энэхүү ажлын үндсэн шинэлэг зүйл нь Ранвиерийн саатал дээр үүссэн хэлбэлзлийг санах ой, ухамсрын дамжуулагч болох тархины мэдээллийн системийн үйл ажиллагаанд ашигладаг механизмын тодорхойлолтод оршдог.

Тархины мэдээллийн систем нь квант компьютер шиг ажилладаг бөгөөд үүнд мэдрэлийн эсийн мембран дахь акустоэлектрик хэлбэлзлийн горимоор кубитуудын функцийг гүйцэтгэдэг гэсэн таамаглал нотлогдсон. Ажлын гол ажил бол диссертацийг нотлох явдал юм Тархи бол квант компьютер бөгөөд түүний кубит нь мэдрэлийн мембраны уялдаа холбоотой хэлбэлзэл юм..

Мэдрэлийн мембран дахь хэт авианы долгионы туйлшрал ба фазын зэрэгцээ кубит үүсгэхэд ашиглаж болох өөр нэг параметр нь мушгих юм (энэ нь 5 байна).^{бас би} тойрог замын өнцгийн импульс байгаа эсэхийг тусгасан долгионы шинж чанар).

Эргэлтийн долгион үүсгэх нь ямар ч хүндрэл учруулдаггүй: үүний тулд Ранвиерийн хөндлөн огтлолцол ба миелин бүсүүдийн хил дээр спираль бүтэц эсвэл согогууд байх ёстой. Магадгүй ийм бүтэц, согогууд байдаг (мөн миелин бүрээс нь өөрөө спираль хэлбэртэй байдаг).

Санал болгож буй загварын дагуу тархин дахь мэдээллийн гол тээвэрлэгч нь одоогийн үзэж байгаа шиг саарал бодис биш харин тархины цагаан бодис (миелин бүрээс) юм. Миелин бүрээс нь үйл ажиллагааны потенциалын тархалтын хурдыг нэмэгдүүлэх төдийгүй ой санамж, ухамсрын гол тээвэрлэгч юм: ихэнх мэдээллийг тархины саарал материалд биш харин цагаанаар боловсруулдаг.

Тархины мэдээллийн системийн санал болгож буй загварын хүрээнд Декартын дэвшүүлсэн психофизикийн асуудал шийдлийг олдог: “Хүний дотор бие ба сүнс ямар холбоотой вэ?” Өөрөөр хэлбэл, матери болон ухамсрын хоорондын хамаарал юу вэ?

Хариулт нь дараах байдалтай байна. Сүнс нь Хилбертийн орон зайд оршдог боловч цаг хугацааны орон зайд орших материаллаг бөөмсөөс үүссэн квант кубитээр үүсгэгддэг..

Орчин үеийн технологи нь тархины аксоны сүлжээний бүтцийг хуулбарлаж, энэ сүлжээнд хэт авианы чичиргээ үүссэн эсэхийг шалгаж, дараа нь эдгээр чичиргээг кубит болгон ашиглах квант компьютерийг бий болгох боломжтой юм.

Цаг хугацаа өнгөрөхөд акустоэлектрик квант компьютер дээр суурилсан хиймэл оюун ухаан нь хүний ухамсрын чанарын шинж чанарыг давах боломжтой болно. Энэ нь хүн төрөлхтний хувьсалд цоо шинэ алхам хийх боломжтой болох бөгөөд энэ алхамыг тухайн хүний өөрийн ухамсар хийх болно.

Ажлын эцсийн мэдэгдлийг [2] хэрэгжүүлж эхлэх цаг болжээ. Ирээдүйд хүний тархитай адил физикийн зарчмаар ажиллах нейрокомпьютер бүтээх боломжтой” гэв..

дүгнэлт

1. Нейроны мембрануудад уялдаатай акустоцахилгаан хэлбэлзэл байдаг: эдгээр хэлбэлзэл нь Ранвиерийн тасалдал дахь акустик лазерын эффектийн дагуу үүсч, миелин бүрхүүлд тархдаг

2. Мэдрэлийн эсүүдийн миелин бүрхэвч дэх когерент акустоэлектрик хэлбэлзэл нь кубитийн үүргийг гүйцэтгэдэг бөгөөд үүний үндсэн дээр тархины мэдээллийн систем квант компьютерийн зарчмаар ажилладаг

3. Ойрын жилүүдэд тархины мэдээллийн систем ажилладаг физик зарчмаар ажилладаг квант компьютер болох хиймэл оюун ухааныг бүтээх боломжтой

Уран зохиол

1. В. А. Шашлов, Орчлон ертөнцийн шинэ загвар (I) // "Тринитаризмын академи", М., Эл No 77-6567, хэвлэл. 24950, 2018.11.20