Кротовая нора на квантовом компьютере. Термометр для клетки. ГАМК и обучение. Новости QWERTY №239
Из этого ролика вы узнаете, что мы не знали о мурах, что помогает детям быть успешнее взрослых. Как вставить градусник в клетку и как выглядит квантовая кротовая нора.
[музыка]
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY. А меня зовут Владимир. Мы думали, что знаем о жизни муравьев всё, но это оказалось не так. Полной неожиданностью для учёных стало открытие нового типа социального взаимодействия у муравьев-рейдеров, ведущих подземный образ жизни и охотящихся на потомство муравьев других видов. Матки у них нет, все муравьи проходят ряд стадий: сначала они работники и фуражиры, потом вскармливают потомство, а на поздних стадиях развития начинают откладывать яйца. Все развитие колонии подчинено очень строгим синхронизированным циклом.
При изучении этих муравьев ученые увидели, что их куколки в поздней фазе за 6 дней до появления муравья выделяют странную жидкость в очень больших количествах. Куколка может даже утонуть в ней, но не тонет, поскольку как раз в это время муравьи приносят личинок и укладывают их поверх куколок. Личинки и сами взрослые муравьи потребляют эту привлекательную для них жидкость, которая значительно поддерживает их силы и повышает выживание. Эта жидкость схожа с сливочной жидкостью, которую вы привычно знаете. Она содержит питательные вещества и гормоны роста.
Колония работает как часы. Если нарушить процесс, то сбой может убить куколок. Похоже, что и другие виды муравьев имеют подобные механизмы подкармливания. В натуральных условиях, когда работают природные часы, вся жидкость моментально потребляется, и куколки всегда сухие. А вот в лабораторных условиях, когда можно отслеживать состояние каждого муравья, наконец-то смогли наблюдать этот процесс. Почему-то только сейчас.
Но также только сейчас для вас самые интересные новости науки за предыдущую неделю. И как обычно, все ссылки на источники и подробности будут в описании.
Считается, что дети учатся лучше, чем взрослые. Есть огромное количество факторов, различающиеся у этих двух групп, начиная от наличия свободного времени и не заканчивая целеустремленностью и усидчивостью. Но мы сосредоточимся на другом. Мы сосредоточимся на способности запоминать информацию, а именно усваивать ее так хорошо, чтобы последующее воспринимаемая информация не вытесняла предыдущую.
Вытеснение более ранней информации называется ретроактивной интерференцией. Адепты Холмса сказали бы, что не ретроинтерференция, а чердак не бездомный. И кстати, спорим, что во время последней новости этого выпуска вы уже забудете, о чем была первая. Но этот негативный эффект, ретрактивная интерференция, относится только ко взрослым, а дети, если что-то и забывают, то скорее они это просто даже не услышали, проворонили, отвлеклись.
В основном ретроактивная интерференция для них не свойственна. И всё дело в ГАМК — гамма-аминомасляной кислоте. Это вещество — нейромедиатор, выполняющий следующую роль в нашей нервной системе. Постойте, но как же тормоз может помогать что-то запоминать? А вот так: когда нейроны получили новую информацию, их нужно успокоить.
А если некая нейронная сеть останется в возбужденном состоянии и на неё сверху, как личинок на куколок, положить еще свежую информацию, то предыдущая просто сотрется. Поэтому взрослым нужно делать перерывы для лучшего усвоения материала. В этих перерывах ГАМК оттормаживает нейроны и позволяет продолжать запоминание.
Но у детей уровень ГАМК ниже, чем у взрослых, и на первый взгляд это должно мешать обучению. Наряду с непоседливостью. Но нет! Учёные добрались до детского мозга и изучили процессы, связанные с обучением, при помощи функциональной магнитно-резонансной спектроскопии. И оказалось, что тормозная ГАМК-система у детей работает даже лучше: она успевает затормозить нейроны, нагруженные информацией, буквально за несколько минут. Это происходит за счет резкого повышения уровня ГАМК.
А взрослые так не умеют, им нужно больше времени, хотя ГАМК у них и больше. Поэтому усвоение информации у детей происходит проще и надежнее. И у вас, дорогие детишечки, больше нет никаких оправданий!
Небольшое послесловие: эксперименты проводились на детях от 8 до 11 лет и только с визуальными элементами, то есть на зрительной памяти. Но скорее всего это работает и на других видах памяти.
Так что всё равно никаких оправданий! Мы как-то рассказывали, что разные органы внутри тела имеют разную температуру, особенно здесь отличаются более горячие, чем остальное тело, мозг и печень, и менее горячие, чем остальное тело, кожа и внешние половые органы у мужчин. Но российские ученые решили пойти дальше и задумались: а как можно измерить температуру внутри клетки, учитывая, что температура влияет на химические реакции и биологические процессы? Это важное знание, но в клетку не вставишь термометр, поскольку это её разрушит.
Поэтому на помощь приходит химия. Учёные разработали флуоресцентную молекулу, которая меняет свой свет в зависимости от температуры окружающей среды. Это комплекс порфирина с 5-валентным фосфором. Связи фосфора и порфирина меняются, если изменяется температура, а это влияет на свечение. Если такую молекулу ввести в клетку, а это можно сделать не разрушая её, то можно измерить время свечения молекулы и по этому времени сделать выводы о температуре внутри.
Причем работают эти молекулы как раз в физиологических границах от 30 до 44 градусов. При экспериментах на клетках яичника хомяка и человеческих раковых клетках температурная молекула могла считывать показания, различающиеся на одну десятую градуса, что достаточно точно и открывает возможность работы с внутриклеточными температурами.
Учёные создали кротовую нору. Хотел бы сказать я и в ужасе сбежать, выключив камеру. Но на самом деле они создали только симуляцию кротовой норы, но тем не менее, они это сделали! На квантовом компьютере. Гугловский квантовый компьютер Сикамор стал основой для эксперимента по телепортации информации через кротовую нору, и этот эксперимент имеет дело с голографическим принципом.
Если упростить, то этот принцип описывает теорию, объединяющую квантовую теорию и гравитацию, то есть еще не созданную теорию всего. Голографический принцип вводит понятие математического тождества или дуальности между двумя этими вещами. Он говорит, что пространственно-временной континуум, описанный теорией относительности, — это на самом деле квантовая система, как трехмерная голограмма проявляется из двумерной поверхности. Так и пространство, время и гравитация проявляются из квантовых эффектов.
И новый эксперимент указывает на то, что квантовые эффекты, которые мы уже можем наблюдать в квантовом компьютере, дают начало феномену, который мы хотели бы наблюдать в реальности — крутой норе. Ну как наблюдать, сложно увидеть дыру в пространстве-времени, проходящую через дополнительное измерение, не принадлежащее нашей реальности. Но голографический принцип утверждает, что всё нормально: две реальности, принадлежащие кротовой норе и принадлежащие квантовому компьютеру, это две альтернативные версии одной физики.
Вот тут немного начинает шуршать на чердаке, потому что невольно задумываешься: а не является ли вся наша Вселенная и мы в ней голограммами, заданными квантовыми частицами? И это больно. Поэтому давайте попробуем упростить.
И для этого нужно понять, что квантовая составляющая теории относительности просто необходима, тогда когда мы говорим о сингулярности: точках пространства-времени, в которых скапливается бесконечно много массы. Пространство и время вокруг них очень круто искривляются, переменные стремятся к бесконечности и ломаются, и все физические теории перестают действовать. Вы знаете, где находятся сингулярности? В черных дырах.
Чтобы уйти от их математики, Эйнштейн предложил идею кротовых нор: нужно убрать сингулярность из уравнения и заменить её на трубку, находящуюся в измерении более высокого порядка и ведущую в другую точку пространства-времени. Такие трубки, мостики между двумя точками пространства-времени, будоражат учёных уже почти 100 лет. Но только в 2013 году появилось предположение, что кротовые норы имеют связь с квантовой запутанностью.
Квантовая запутанность нам не хватало голографического принципа и сингулярности. Помните? Предположим, два фотона квантово запутаны и находятся в суперпозиции. Тогда, как только мы считаем состояние одного фотона, то сразу же узнаем состояние второго, где бы он ни находился. Это квантовое чудо Эйнштейн называл жутким действием на расстоянии. Так вот, в 2013 предположили, что кротовые норы — это эквивалент квантовой запутанности.
Если существует некая энергия, которая поддерживает кротовую нору в открытом состоянии, то такая готовая нора становится проходимой. И здесь обнаруживается связь с квантовой телепортацией, которую, между прочим, наблюдали уже не раз за последние годы. Ставились такие эксперименты, и новый эксперимент нацелен как раз на то, чтобы обнаружить двойственность кротовой норы и квантовой телепортации.
В эксперименте реализовали модель этой двойственности на базе квантовой системы. Чтобы не использовать слишком много кубитов, для начала эту модель упростили при помощи методов машинного обучения, оставив в ней всего 9 кубитов. Однако это не повредило основным метрикам, и по факту это была система, поддерживающая все свойства гравитации.
Когда инженеры вводили один кубит в одну из систем, они увидели появление информации в другой системе. Информация перемещалась из одной системы в другую при помощи квантовой телепортации или, если говорить на языке гравитации, через кротовую нору.
Это был загадочный квантовый феномен на языке привычной нам гравитации. Хотя квантовой информации имеет много вариантов для перемещения, но в этой симуляции увидели именно работу кротовой норы: то, как она открывается и пропускает информацию. Это срабатывает голографический принцип: то, как выглядит дуальность квантовой теории и теории относительности.
Напомню, что никто так и не создал настоящую кротовую нору; её всего лишь симулировали на квантовом компьютере. Но эта работа — большой шаг вперед в работе с квантовой гравитацией на квантовых компьютерах. И пусть она не заменит настоящие живые эксперименты, она закладывает основу и базу для квантовых вычислений и симуляций.
Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что учёные смогли создать устройство — микросхему, работающую на кубитах четвертого уровня куквартах. У квартах были представлены фотоны, находящиеся в суперпозиции сразу четырех состояний, что задавалось двумя квантовыми характеристиками фотона. В определенном смысле свет, используемый в этом эксперименте, имел четыре измерения.
Почему учёные задумались над работой с куквартами вместо уже более-менее привычных кубитов? Дело в том, что по мере развития квантовых вычислений любые способы шифрования, даже основанные на квантовых, во-первых, будут постепенно становиться всё менее защищенными. В какой-то степени учёные заранее вступают в гонку технологий.
Ну что ж, а на этом на сегодня всё. Большое спасибо вам за просмотр! Мне будет очень приятно, если вы поделитесь этим роликом со своими друзьями, поставите ему лайк и подпишитесь на QWERTY, если вы этого ещё не сделали. Как обычно, проголосовать за самую интересную новость выпуска можно в нашем Telegram-канале. Все ссылочки у нас в описании.
И до скорых встреч! Пока!
[музыка]