Neuer Forschungsbereich fördert sowohl Quantencomputing als auch Kognitionswissenschaft

Allein das tiefe Eintauchen in die Quantenbiologie oder die Kognitionswissenschaft ist schon eine Herausforderung genug. Allerdings hat ein Forschungsteam kürzlich einen Übersichtsartikel verfasst, in dem er das molekulare Quantencomputing hervorhebt, ein neu entstandenes Forschungsgebiet, das wahrscheinlich die Forschungsgrenzen beider Bereiche verschieben wird. Die Rezension war veröffentlicht In Intelligentes Rechnen.

Zukünftige theoretische Durchbrüche könnten durch die Verbindung von molekularem Quantencomputing, dem Brückenforschungsbereich, mit Kognitionswissenschaft und Quantenbiologie erzielt werden, argumentieren die Autoren.

Die Kognitionswissenschaft konzentriert sich auf die Erforschung des Lernmechanismus, einschließlich der Frage, ob Neuronen auf klassischer oder Quantenebene lernen. Die Quantenbiologie hingegen versucht, biologische Fragen zu beantworten, die mit der klassischen Mechanik allein nicht beantwortet werden können. Diese Rätsel können durch molekulares Quantencomputing gelöst werden, das die speziellen Funktionen von Molekülen nutzt, um Quanteninformationen zu verarbeiten.

Der Aufsatz befasst sich zunächst mit den Fortschritten im molekularen Quantencomputing, der Quantenbiologie und der Kognitionswissenschaft im Allgemeinen, erläutert dann einige grundlegende Begriffe der Quantenphysik und beschränkt sich dann auf einige Schlüsselkonzepte, um die Zusammenhänge zu verdeutlichen.

Eines der Schlüsselkonzepte sind Quantenfreiheitsgrade, die Grundlage für das Verständnis und die Simulation von Quanteneffekten in biologischen Systemen. Vereinfacht ausgedrückt beschreiben Quantenfreiheitsgrade im Allgemeinen, wie viel „Freiheit“ ein Qubit – das Quantenäquivalent eines klassischen Bits – bei der Speicherung und Verarbeitung von Informationen in einem bestimmten Raum hat.

Zu den Quantenfreiheitsgraden gehören insbesondere Orbitale, Ladungen, Spins, Vibrationen, Rotationen, photonische Zustände usw., und Forscher könnten verschiedene Kombinationen davon erstellen, um einem Quantencomputersystem unterschiedliche Funktionen zu verleihen.

Beim molekularen Quantencomputing ist die Manipulation molekularer Freiheitsgrade wie Ladungsbewegung und Spinzustände von entscheidender Bedeutung für die Schaffung und Aufrechterhaltung der Quantenkohärenz. Diese Kohärenz ist ein wartungsintensives Merkmal, das für die hohe Leistung eines Quantencomputersystems unerlässlich ist und es Elektronen ermöglicht, als Qubits zu fungieren und Informationen über Quantenschaltkreise zu übertragen.

Auch in der Quantenbiologie und Kognitionswissenschaft sind Freiheitsgrade wichtig. Ein einzelnes Protein in einem Neuron ist kompliziert genug, um mehrere Freiheitsgrade zur Erzeugung des Quanteneffekts zu ermöglichen, der bereits bei einigen biologischen Prozessen wie Enzymkatalyse und Photosynthese beobachtet wurde und möglicherweise für das Bewusstsein verantwortlich ist.

Die Quanteneigenschaften in der Enzymkatalyse hängen mit Ladungs- und Orbitalfreiheitsgraden zusammen, die bei der Durchführung molekularer Quantencomputer genutzt werden könnten und vermutlich mit Mikrotubuli und Mitochondrien zusammenhängen – zwei Schlüsselkomponenten innerhalb einer Neuronenzelle.

Bei der Photosynthese handelt es sich beim Quanteneffekt größtenteils um Opto-Spins, ein Zusammenspiel zwischen Photon und Spin. Opto-Spins könnten Einblicke in das molekulare Quantencomputing liefern, wo die Leistung von Qubits durch die Anwendung von Licht auf magnetische Spins verbessert werden könnte, und in die Kognitionswissenschaft, wo Axone, eine weitere Schlüsselkomponente von Neuronen, Biophotonen und Spins zur Informationsverarbeitung nutzen könnten.

Während viele der vorgeschlagenen Zusammenhänge noch unbestätigt oder unzureichend erforscht sind, hofft das Forschungsteam, dass weitere Untersuchungen zu „einer äußerst spannenden Wissenschaft“ an der Schnittstelle von molekularem Quantencomputing, Quantenbiologie und Kognitionswissenschaft führen könnten.