آیا مغز انسان یک کامپیوتر کوانتمی است؟

چکیده

ما استدلال کرده ایم که محاسبات انجام شده به وسیله‌ی فرایند های مکانیک کوانتمی به نحوه‌ی کار مغز مربوط نمی باشند. این گفته برخلاف تفکر بسیاری از نظریه پردازان است. اولا، اثرات کوانتمی دارای خواص زمانی مورد نیاز برای پردازش اطلاعات عصبی نمی باشد. ثانیا، موانع فیزیکی قابل توجهی برای انجام محاسبات کوانتمی به وسیله‌ی بخش های زیستی وجود دارد. سوما، شواهد روانشناختی وجود ندارد که به وسیله‌ی آن مشخص گردد که یک چنین پدیده های ذهنی مانند آگاهی و تفکر ریاضی از طریق تئوری کوانتم قابل دستیابی باشد. ما نتیجه گیری کرده ایم که آگاهی از نحوه‌ی عملکرد ذهن به احتمال زیاد نیازمند محاسبات کوانتمی و مکانیزم های مشابه نمی باشد.
کلمات کلیدی: عملکرد ذهن، هوشیاری، تفسیر، علم اعصاب، محاسبات کوانتمی

مقدمه

تلاش های علمی برای آگاهی از نحوه‌ی تفکر انسان در طی تاریخ تلاش داشته اند تا عملکرد این عضو انسانی را به تکنولوژی های معاصر( از ساعت و تلفن گرفته تا کامپیوترهای دیجیتال) نسبت دهند. امروزه، یکی از تکنولوژی های جالب توجه محاسبات کوانتمی است که در آن تلاش هایی به منظور فایق آمدن بر محدودیت های کامپیوترهای سنتی با استفاده از پدیده های منحصربفرد در سطح کوانتمی( مانند حصار غیر مکانی و بر همنهی)، انجام می شود. بنابراین، این مسئله شگفت آور نیست که بسیاری از محققین حدس می زنند که اثرات کوانتمی در مغز برای توصیف پدیده های روان شناختی( مانند هوشیاری)، مهم می باشند.
به هر حال، ما استدلال می کنیم که توضیح عملکرد مغزی با توسل به مکانیک کوانتم به توصیف پرواز پرندگان با استفاده از ویژگی های پیوند اتمی، شبیه است. ساختاربال تمام پرندگان از خواص پیوند اتمی استفاده نمی کند و به وسیله‌ی نوع ماده‌ی مورد استفاده در بال، تغییر نمی کند. بیشتر بال های پرندگان از کراتین تشکیل شده است که دارای خواص پیوندی خاص خود است. با این حال، هر چیزی که ما بخواهیم در مورد عملکرد بال توصیف کنیم را می توان بدون توجه به ساختار اتمی این بخش بیان کرد. هندسه، سفتی و استحکام بیشتر به هدف مشروح پرواز مربوط می شود، اگر چه خواص پیوند اتمی ممکن است برخی خواص خاص و کششی را ایجاد کنند. توصیف این موضوع که چگونه پرندگان به آسانی پرواز می کنند، نیاز به دانستن نحوه‌ی عملکرد پیوندهای اتمی ندارد.
کمک نخستین علوم شناختی مهیا نمودن تعاریفی در مورد عملکردهای ذهنی مهم می باشد. این عملکرد های مهم عبارتند از: ارداک، حافظه، زبان، قدرت استنباط و یادگیری. ما ادعا می کنیم که خواص کوانتمی به توصیف عملکردهای مغزی مربوط نیست دقیقا مشابه این موضوع که خواص پیوندی به عملکرد بال پرندگان مربوط نمی باشد. تفاسیر اجباری، مکانیزم هایی را توصیف می کند که به وسیله‌ی آن، پدیده های مربوط به توصیف، ایجاد می شوند. این مکانیزم ها از سیستم های با موجودیت و عملکرد مستقلی تشکیل شده اند به نحوی که آنها می توانند تغییرات منظم ایجاد کنند. به طور خاص، مکانیزم های عصبی ا ز نورون ها، گروه های عصبی و نواحی مغزی تشکیل شده اند که فعالیت های محاسباتی- بیولوژیک آنها، عملکردهای مغزی را ایجاد می کند. یک مکانیزم عصبی یک توضیح قابل قبول از پدیده‌ی ذهنی است اگر، شواهد بیولوژیکی و روان شناختی وجود داشته باشد که به وسیله‌ی آنها ثابت شود فعالیت ها و موجودیت های که شناسایی شده اند، مسئول تغییراتی است که پدیده را تشکیل داده اند. ما استدلال کرده ایم که محاسبات نرونی به جای مکانیزمهای کوانتمی بهترین توصیف از پدیده‌ی ذهنی را مهیا می کند.
ما سه گروه از دلایل را اورده ایم که به وسیله‌ی آنها می گوییم چرا این نامحتمل است که فرایند های مکانیک کوانتمی برای توصیف عملکرد مغزی مناسب هستند. اولین استدلال ما محاسباتی است. در واقع این غیر محتمل است که مکانیزم های کوانتمی دارای نقش قابل توجهی در فرایند های اطلاعاتی انجام شده در مغز، باشند. استدلال دوم ما بیولوژیکی است. در واقع چندین دلیل وجود دارد که به وسیله‌ی آن توضیح داده می شود که چرا عملکردهای ضروری یک سیستم آلی مانند مغز نباید نیازمند توصیفات حاصله از مکانیک کوانتمی باشد. در نهایت، استدلال سوم ما روان شناختی است. در این استدلال این مطرح می شود که دلیلی وجود ندارد که باور کنیم محاسبات کوانتمی مسئول ایجاد پدیده های ذهنی است. ما استدلال کرده ایم که این گمان که مغز یک نوع کامپیوتر کوانتمی است، با فرضیه‌ی محاسبات نرونی مخالف است و این بدین معناست که مغز پدیده های ذهنی را به وسیله‌ی فرایند های نرونی ایجاد می کند که به وسیله‌ی الگوهای رفتاری نورونی، کد گذاری، انتقال و بازخوانی می شود.

استدلال محاسباتی

تئوری محاسبات کوانتمی از ایده ها ی Feynman در سال 1982 و ایجاد یک ماشین جهانی به وسیله‌ی Deutsch، شروع شده است. محاسبات کوانتمی (که از بیت های کوانتمی استفاده می کند، برخلاف بیت هایی که در کامپیوترهای دیجیتال کلاسیک مورد استفاده قرار می گیرد)، ممکن است بطور هم زمان هم به عنوان برهمنهی صفر و هم 1 مورد استفاده قرار گیرد. از لحاظ پتانسیل، کامپیوترهای کوانتمی ممکن است از یک نوع منحصربفرد از مشابهت ها استفاده کند که این مشابهت ها برخی از مشکلات موجود در زمینه‌ی کامپیوترهای کلاسیک را از بین می برد. در تئوری پیچیدگی محاسباتی، مشکل قابل حل می باشد اگر، این مشکل بتواند در زمان چند جمله ای قابل حل باشد. زمان چند جمله ای زمان مورد نیاز برای حل کردن آن است. این زمان به طور جانبی افزایش می یابد. مسائلی که دارای زمان حل بهینه هستند، سریع تر حل می شوند.
پتانسیل فنی برای محاسبات کوانتمی ابتدا در فرمولاسیون های انجام شده به وسیله‌ی Shor( 1994) تشخیص داده شده است. در این فرمولاسیون ها، الگوریتم کوانتمی چندجمله ای نسبت به زمان برای مسئله‌ی فاکتورگیری یک عدد و تبدیل آن به اعداد اول، انجام شده است. مشکل ظاهری فاکتورگیری تحت محاسبات کلاسیک، محور امنیت روش های رمزنگاری امروزی است. اگر این کار بر روی ماشین کوانتمی مناسب اجرا شود، الگوریتم Shor می تواند به طور بالقوه رمزها را بشکند. این رمزها ممکن است اطلاعات بانک ها، دولت، و صنایع مختلف باشد.
بطور مسلم باید گفت، پدیده های مورد نیاز برای تفسیر مکانیک کوانتمی، از طریق مغز انجام می شود و این پدیده ها اصول هر یادگیری کامل در مورد ساختارهای آن و مکانیک فیزیکی می باشد. هر پیوند مولکولی و واکنش شیمیایی سرانجام به وسیله‌ی تئوری کوانتمی تعریف می شود. سایر مثال های موجود د ر زمینه‌ی اثرات کوانتمی در سیستم های بیولوژیکی عبارتند از تفسیر کار آنزیم ها، انتقال الکترونی داخل غشائی در فوتوسنتز و مغز می باشد. در مغز اثرات نفوذ در موانع از طریق باز شدن کانال های یونی نورونی منفرد نیز مثالی از این گونه سیستم ها می باشد. به عبارت دیگر، هیچ کدام از این اثرات به طور ضروری در تفسیر عملکرد کلی سیستم های مشارکت ندارد. در مقایسه‌ی ارائه شده‌ی ما در مورد بال پرنده، مشاهده کردید که برای توصیف پرواز، نیازی به اشاره به ویژگی های پیوند اتمی وجود ندارد. ما ادعا می کنیم، پردازش اطلاعات در مغز می تواند به سادگی و بدون در نظر گرفتن تئوری کوانتمی، انجام شود. این به نظر می رسد که برای توصیف مکانیزم های موجود در عملکرد مغز به تئوری کوانتمی نیازی نیست.
در مقایسه با کامپیوترهای دیجیتال دو- دویی، اثرات کوانتمی محور یادگیری جریان الکتریکی در داخل ترانزیستور و مدارهای با سطح پایین است. در حقیقت، یکی از محرک ها برای بررسی محاسبات کوانتمی، این است که طراحان چیپ های کامپیوتری به سرعت به سمت حدهای کوانتمی در حال حرکت هستند( این مسئله با کوچک سازی مدارات ایجاد می شود). با اینحال، یک چنین پدیده هایی نقشی در محاسبات انجام شده در این سیستم ها، ندارند. واحد مبنای پردازش اطلاعات در کامپیوتر گیت منطقی است. گیت های منطقی در ترانزیستورها قرار گرفته اند این ترانزیستورها به گونه ای طراحی شده اند که در برابر پارازیت مقاوم باشند و ناهنجاری های بوجود آمده به وسیله‌ی رخدادهای کوانتمی منفرد را اصلاح کنند. بنابراین، کامپیوترهای دیجیتال به گونه ای طراحی شده اند تا اطمینان حاصل گردد که اثرات کوانتمی در پردازش اطلاعات وارد نشود. این در حالی است که در ماشین های کوانتمی، یک چنین خواصی مانند برهم نهی و محصور شدن( entanglement)، نقش اساسی در محاسبه ایفا می کنند. بنابراین سیستم های تشکیل شده از چیپ ها، ترانزیستورها و گیت های منطقی بر اساس مکانیزم های مناسب بنیان گذاری شده اند به نحوی که به وسیله‌ی آنها، عملکردها و رفتارهای اصلی کامپیوترهای دیجیتال مورد بررسی قرار می گیرد و مشخص می شود که این عملکردها به مکانیزم های در مقیاس کوانتمی مربوط نیستند.
ملاحظات مشابهی در مغز نیز حفظ می شود. شواهد قابل توجهی وجود دارد که به وسیله‌ی آنها آشکار می شود که مقیاس های زمانی برای رخداد های کوانتمی منفرد در مغز، با نیازمندی های جسمانی تأثیرگذار بر روی عمل اعصاب، موافق نیست. Eliasmith( 2001) شواهد عملی را مورد بررسی قرار داد که به وسیله‌ی آنها نشان داده شده است که زمان عمل معین در کمتر از 1 میلی ثانیه، تمام اطلاعات موجود در یک سلسله‌ی عصبی را جمع آوری می کند. این مسئله به دلیل رهاسازی مواد موجود در کیسه های پیش سیناپسی، ایجاد می شود. در این کیسه ها، غلظت انتقال دهنده های نرونی متفاوت است و زمان جرقه زنی عصبی به وسیله‌ی آکسون ها، دقت انتقال اطلاعات عصبی را محدود می کند. به عنوان یک نتیجه، پارازیت های محیطی، دقت زمانی مفید را برای جرقه زنی عصبی ( در بیشتر غشاء ها) محدود می کند. حساسیت زمانی سریع تر در زیرسیستم های خاصی( مانند سیستم شنوایی مغز جغد) دیده می شود. به هر حال، حتی در اینجا هم دقت تنها در حد میکرو ثانیه است. محاسبات انجام شده به وسیله‌ی Tegmark توضیح می دهد که چرا این مسئله وجود دارد که اثرات ایجاد شده بر روی مقیاس زمانی پدیده های کوانتمی می تواند از پارازیت های ایجاد شده در امان باشد.
Tegmar ( 2000) تخمین زده است که در دمای نرمال مغز( حدود 310 K)، نرون های منفرد دارای مقیاس زمانی〖10〗^(-20) ثانیه می باشد. برای یک میکروتیوبول( microtubule)( یک زیرساخت سلولی که ممکن است یک جزء قابل قبول تر از محاسبات کوانتمی در مغز باشد)، Tegmark توانسته مقیاس زمانی 〖10〗^(-13)را بدست آورد. هر دو اقتباس، فاکتورهایی مانند برخوردهای مولکولی و اثرات سایر یون ها مانند یون کلر را در نظر نگرفته است. این مسئله موجب شده تا مقیاس های زمانی کوچک تر شود. در عوض، سریع ترین کار عصبی در مقیاس های زمانی میلی ثانیه رخ می دهد و تهیج های پلاریزاسیونی حتی در کوتاه ترین میکروتیوبول ها در حد 〖10〗^(-7) ثانیه است. بنابراین، رخدادهای اتفاق افتاده در سطح کوانتمی، به طور خاص ضرورت پیوستگی برهم نهی برای محاسبات کوانتمی، به طور ساده دارای برد عملیاتی موقت برای کنترل پردازش اطلاعات بر پایه‌ی نورن ها، نمی باشد. در حقیقت، اگر نورون ها و الگوهای جرقه زنی مربوط به آنها، بهیچ وجه در هوشیاری یا هر فرایند شناختی دیگر، شرکت نکند، پس، این فرایندها نمی توانند محاسبات کوانتمی باشند. این عدم تطابق زمانی به وسیله‌ی انیشتن و Tegmark توضیح داده شده اند. آنها گفته اند که هر اثر قابل توجه از پدیده های در سطح کوانتمی بر روی الگوهای عصبی خارج از سطح پارازیت قابل تصحیح است. اگر چه این ممکن است استدلال شود که رخداد های واقعا کوتاه کوانتمی بطریقی نرون ها یا میانکنش آنها را درگیر می کنند که بر روی تغییرات مقیاس زمانی جرقه زنی، اثر می گذارد. این گمانه زنی به وسیله‌ی مشکلات بیولوژیکی قابل توجه، مختل می شود. ما در بخش بعدی در مورد این موضوع صحبت می کنیم.
از این رو، بررسی پردازش اطلاعات در مغز از طریق مکانیزم های عصبی نیازمند بررسی رخدادها در سطح کوانتمی ایجاد شده در مغز، نمی باشد. البته، ما ادعا نمی کنیم که عملکرد مغز بطریقی است که کاملا از مکانیک کوانتوم متفاوت است. به جای آن باید گفت، یک چنین اثراتی به سادگی دارای ارتباطی روشن با موضوع عملکرد ذهنی ندارد( مشابه مثال ما در مورد پرواز پرنده). محاسبات عصبی با توجه به یک چنین پدیده هایی، نسبتا تقویت می شود و از این رو روابط ورودی- خروجی به وسیله‌ی تغییرات آنها، تحت تأثیر قرار نمی گیرد. مطمئنا، تفسیر این موضوع که چرا یک نورون خاص در ممان معین، خارج می شوند، ممکن است نیازمند ارجاع به پدیده های مکانیک کوانتوم باشد. به هرحال، دقیقا مشابه یک کامپیوتر دیجیتال، می توان این حقیقت را توصیف کرد که تعداد الکترون ها در یک گیت منطقی منفرد و در یک زمان خاص، در اصل کوانتمی است( در واقع یک توصیف اساسی در مورد مغز نیازمند متوسل شدن به مکانیزم های کوانتمی را ندارد. اگرچه نقش عملکردی نورون ها برخی اوقات از ترانزیستورها و گیت های منطقی یک کامپیوتر دیجیتال متفاوت است( برای عملکردهای عمومی مغز، اثرات کوانتمی به حدی اندک است که هر نوسان مربوط به آن می تواند به عنوان پارازیت تشخیص داده شود.

استدلال بیولوژیکی

پیشرفت قابل توجه در طراحی و تولید کامپیوترهای کوانتمی در مقیاس بزرگ بوجود آمده است و ماشین های از این دست مورد استفاده قرار گرفته اند که در آنها بیت های کوانتمی انتقال می یابد. با وجود این، یک چنین ماشین هایی نیازمند شرایط کاری هستند که این شرایط بطور روشن با شرایط کاری مغز متفاوت است. توان یک کامپیوتر کوانتومی به قابلیت آن برای انجام محاسبات موازی بستگی دارد. تعمیر و نگهداری یک بخش ایزوله از واکنش های محیطی، یک پیش نیاز ضروری برای جلوگیری از قطع ارتباط می باشد. این مسئله که از بین رفتن حالت برهمنهی به وسیله‌ی یک چنین واکنش هایی پدیدار می شود. دمای کاری بسیار پایین نیز برای بیشتر فعالیت های موجود در کامپیوترهای کوانتومی ضروری است، اگرچه ماشین های ساده تر که بر پایه‌ی رزونانس مغناطیسی هسته ای کار می کنند را می توان در دمای محیط برای مدت های طولانی استفاده کرد.
به طور سر راست باید گفت، برخلاف اینکه نیازمندی های فیزیکی شرایطی را ایجاد می کنند که در مغز حیوانات وجود دارد. مغز یک ساختار گرم، مرطوب و بیولوژیک است. این بخش برای ادامه‌ی حیات خود در جهان نیازمند احتیاجات حیاتی است. اگرچه تا حدی، این بخش به وسیله‌ی غشاء اسکلتی، لایه‌ی مایع و ... محفوظ می ماند. این ایزولاسیون در هیچ جا نمی تواند ارتباط کوانتمی در مقیاس بزرگ و در سطح نورون ها، حفظ کند. میانکنش های بین تراوشات و ساختارهای داخلی، تغییرات دمای یا حتی آسیب های فیزیکی مانند صدمه های معمولی به سر، می تواند موجب شکسته شدن محیط داخلی مغز شود و این مسئله نیز موجب می شود تا هر نوع ارتباط کوانتمی قابل توجه را از بین ببرد.
برخی این ادعا را دارند که ساختارهای پروتئینی کوچک در داخل نورون ها، میکروتیوبول ها، یک قلمروی مناسب ایجاد می کنند که در داخل آنها ارتباطات کوانتمی و محاسباتی ایجاد می شود. اما این تئوری ها فاقد اسناد تجربی تأیید کننده هستند و همچنین اشتباهاتی در مقیاس زمانی این تئوری ها مشاهده می شود. علاوه بر این، آنها با این سوال مواجه هستند که چگونه مغز میکروتیوبول تولید می کند و چگونه می تواند میکروتیوبول هایی تولید کند که بتوانند محاسبات کوانتمی انجام دهند. میکروتیوبول ها ساختارهای سلولی- ژنی هستند که در انتقال های داخلی مورد استفاده قرار می گیرند. این بخش ها با هم ترکیب شده و مژگان و تاژک ایجاد می کنند و یک نقش اثبات کننده در نگهداری ساختارهای سیتواسکلت موجود در سیتوپلاسم درند. در گیاهان و حیوانات این مشاهده شده است که، توزیع نورون های آنها کاملا بی نظم است. در حقیقت، تئوری های مربوط به میکروتیوبول ها، تفاسیری غیر مشابه با خصوصیات موجود در علم عصب شناسی، ارائه می دهد. برای مثال، Allman و همکارانش نورون های اسپیندل را شناسایی کردند. این نوع از نورون ها تنها در انسان ها و میمون های بزرگ مشاهده شده است. این سلول های بزرگ و غیر متعارف دارای وظیفه‌ی کنترل داخلی و تشخیص خطاهای فردی را دارند. انسان ها و خویشاوندان نزدیک ما( میمون ها) می توانند این وظیفه را بهتر از سایر حیوانات انجام دهند و غلظت نورون های اسپیندل در گونه های انسانی به احتمال زیاد موحب موفقیت انسان ها می شود. برخلاف این توصیفات اثبات شده در مورد اعصاب( نورون ها)، تئورهای کوانتوم- میکروتیوبول نیز مکانیزم های قابل قبولی ارائه نموده است که به وسیله‌ی آنها نمونه های مختلف از لحاظ قابلیت های آنها متفاوت می شوند. در این زمینه ، آیا ما باید اعتقاد داشته باشیم که هویج و کلم نیز دارای محاسبات کوانتمی هستند یا دارای هوشیاری هستند؟ همانگونه که P.S.Churchland استدلال کرده است، محتاج بودن مستقیم به داده های واقعی واقعا کافی است اما خلأ اطلاعاتی در مورد بررسی های روشنگر، فاجعه بار است. غبار پیکسی( Pixie dust) در سیناپس ها می تواند یک روش قدرتمند برای بررسی ارتباط های کوانتمی در میکروتیوبول هاست.
یکی دیگر از موانع فیزیکی مهم در محاسبات کوانتمی در مغز، مواد تصحیح کننده‌ی خطاهاست. این مواد به نوسان پارازیت ها در انتقال و پردازش اطلاعات، مربوط می شوند. تصحیح خطا در مغز یک پدیده‌ی واقعی است و چند ارتباطات نورونی محتمل به همراه اثبات های عملی برای آنها پیشنهاد شده است. اگرچه شبکه های اضافی ممکن است همچنین در این موضوع نقش ایفا کنند، متداول ترین کاربردهای مغزی در ارتباط با تصحیح و ترمیم خطاها، هم دارای مرزهای جذاب قابل تنظیم و هم کدهای جرقه زنی با دقت بالا هستند. این وظیفه، تحت یک روش محاسباتی بر پایه‌ی کپی برداری، به طور مشابه سرراست می باشد. برای مثال، کامپیوترهای دیجیتال از کپی برداری، رمزگذاری چند بیتی استفاده می کنند و به وسیله‌ی آن می توانند یک بخش اندک از خطاهای ایجاد شده به وسیله‌ی منابع پارازیت را جبران کنند. این روش ساده در کامپیوترهای کوانتمی، کارساز نیست زیرا تکرار کامل از حالت بیت های کوانتمی ممکن نیست. علاوه براین، انسان حتی نمی تواند بیت های کوانتمی را ببیند. راه حل متداول که به وسیله‌ی Nielsen و Chaung ارائه شده است، این است که یک رویه‌ی پیچیده بر روی بیت های کوانتمی محصور شده و اندازه گیری های مربوط به آن، انجام شود. تا بدین وسیله، خطاهای موجود بدون استفاده از محاسبات مازاد، تشخیص داده شود. اما این ممکن نیست که یک چنین استراتژی به طور نرمال در سیستم های بیولوژیکی توسعه یابد. این مسئله با مشکلات فیزیکی و محیطی مواجه است. Even Kak و همکارانش، یکی از ایده پردازان در زمینه‌ی این موضوع که مغز یک کامپیوتر کوانتمی است، این مسئله را پذیرفته بود که تکنیک های تصحیح خطا پیشنهاد داده شده، تحت شرایط کاری مصنوعی و با توجه به فرض های معین کار می کنند. اگر چه ما قابلیت طبیعی را برای بوجود آوردن راه حل های ابتکاری برای مشکلات را تأیید می کنیم، مسئولیت اثبات بر دوش کسی است که توانایی استناد دادن به مکانیک کوانتم را دارد. این فرد نه تنها باید جزئیاتی در مورد مکانیزم های بیولوژیکی ارائه دهد، بلکه همچنین باید در مورد تصحیح خطاهای کوانتمی نیز صحبت کند.
حتی اگر محاسبه‌ی کوانتمی در مغز از لحاظ تکنولوژیکی ایجاد شود، یک سوال در مورد بازده محاسباتی عظیم انجام شده در این حالت، پیش می آید. این مسئله به صورت تکنولوژیکی توضیح می دهد که یک کامپیوتر کوانتمی باید تعداد زیادی از محاسبات را در زمان انجام دهد، اما هیچ شاهدی وجود ندارد که به وسیله‌ی آن ثابت شود، مغز می تواند یک چنین اعمالی را در سریع ترین زمان ممکنه، انجام دهد. بعلاوه، این حقیقت که الگوریتم های کوانتمی خاص می توانند از لحاظ جانبی بهتر از الگوریتم های مشابه دیگر کار کنند، اطلاعات اندکی در مورد مقایسه‌ی اندازه‌ی ورودی خاص و مقایسه‌ی الگوریتم ها ارائه می دهد. برای مثال، در صورتی که اندازه‌ی ورودی مسئله یکسان باشد، یک راه حل چند جمله ای به زمانی با مقیاس زمانی 9000×n^7 آهسته تر از یک راه حل اکسپوننسیالی با مقیاس زمانی2^n است(1<n≤53). اگرچه داشتن مغزهای کوانتومی موازی می تواند یک مزیت به شمار آید، این مسئله غیر محتمل به نظر می رسد که انتخاب طبیعی بتواند یک سیستم پیچیده و شکننده از پردازش اطلاعات را( برای اهداف بقاء) فراهم آورد. هیچ شاهدی وجود ندارد که به وسیله‌ی آن بتوان استنتاج کرد که مغزها نیاز به توان همانندسازی کوانتمی داشته باشند تا بتوانند از نیازهای بیولوژیکی اساسی برای بررسی و تولید مجدد، برطرف کنند. حتی اگر این مسئله گاهی اوقات مفید به نظر برسد، موانع محیطی بیولوژیک که قبلا بیان شد، موجب می شود تا این تصور که محاسبات کوانتمی آلی انجام می شود را غیر محتمل کند. علاوه براین، همانگونه که ما در بخش بعدی استدلال می کنیم، شواهد کامل کننده ای وجود ندارد که به وسیله‌ی آن، ما برای توصیف رفتارهای روانشناختی مانند هوشیاری، به محاسبات کوانتمی یا فرایندهای مشابه، نیاز داشته باشیم.

استدلال روانشناختی

اگرچه نظریه ای که در آن گفته می شود مغز یک کامپیوتر کوانتمی است، از لحاظ بیولوژیک و محاسباتی غیر محتمل است، پدیده ها ی روانشناختی وجود دارد که از تفاسیر محاسباتی عصبی موازی با تئوری کوانتمی، پیروی نمی کند. Penrose و Hameroff استدلال می کنند که تفکر ریاضی و هوشیاری یک چنین پدیده هایی هستند.
مدل Penrose- Hameroff در مورد عملکرد مغزی، هوشیاری را به عنوان عملکرد های وابسته به فروپاشی(کاهش) هماهنگ و غیر قابل اندازه گیری حالت های کوانتمی منطقی در میکروتیوبول ها تعریف می کند. این فروپاشی نباید به طور کامل تصادفی باشد( همانگونه که در مورد عدم وابستگی محیطی نیز این مسئله مشاهده می شود)؛ بنابراین، Penrose در سال 1997 ادعا می کند که یک پدیده‌ی بر پایه‌ی کاهش عینی( OR) بر پایه‌ی فروپاشی داخلی وجود دارد که این فروپاشی به دلیل اثرات گرانشی کوانتمی بر روی دستگاه 4 بعدی ایجاد می شود. قبل از فروپاشی هماهنگ( که بر فرایند هوشیاری دلالت دارد)، حالات ذاتی کوانتمی در داخل میکروتیوبول های مختلف با سایر حالات، واکنش می دهند و بنابراین یک گروه از محاسبات کوانتمی اولیه در مغز انجام می شود. این محاسبات موجب پدید آمدن فرایند های دقیقی می شود.
مشکلات زیادی در این تئوری وجود دارد. این مشکلات از تخمین OR انجام شده، نشئت می گیرند. ایده‌ی Penrose این است که فروپاشی انطباقی که به خودی خود رخ می دهد( بدون وابسته بودن به برهمکنش های محیطی)، بحث برانگیز است. Hawking تناقض های موجود در این زمینه را بیان کرده است و استدلال کرده است که پیچاندن مختصات 4 بعدی تحت OR به چرخش همیلتونی آسیب نمی رساند. مقاومت های عمومی تر در زمینه‌ی اجرای این فرضیه وجود دارد. وجود OR در این روش که به وسیله‌ی Penrose و Hameroff توصیف شده است، نیازمند بازبینی بهتر تئوری کوانتمی می باشد. اگر چه Penrose به طور آزادانه این حقیقت را پذیرفته است، یک ادعای قابل توجه مورد نیاز است تا بتوان از این شواهد حمایت کرد. به هر حال، حتی کاهش حمایت های عملی مستقیم، موجب نمی شود تا تئوری اصلی به طور کامل نقض گردد.
اولا، Hameroff یک گزارش در مورد عملکرد بیهوشی را ارائه کرده است و آن را به عنوان شاهدی برای هوشیاری در این تئوری مکانیک کوانتمی معرفی کرده است. او استدلال می کندکه قید بیهوشی در بسته های آب گریز برخی از پروتئین های مغزی که از غیر موضعی شدن کوانتمی و ایجاد ارتباط جلوگیری می کند( این کار به وسیله‌ی ایجاد ممانعت در حالات کوانتمی ایجاد شده به وسیله‌ی نیروهای لندن در میان گروه های آمینو اسیدی است که برای هوشیاری مغز ضروری می باشد). اخیرا، یک تئوری کامل بیوشیمیایی در زمینه‌ی هوشیاری ابداع شده است.
به هر حال، در سال های اخیر، توصیفاتی با دلایل عملی در مورد بی هوشی عمومی ارائه شده است که این توصیفات بر پایه‌ی بیولوژی مولکولی بنیانگذاری شده اند. نظریه‌ی قبلی در مورد فعالیت آب گریزی جای خود را به مکانیزم هایی داده است که در آنها در مورد کانال های یونی- پروتئینی در مغز ( مخصوصا کانال های با گیت های لیگاندی مانند گیرنده ها( مانند GABA و NMDA))، صحبت می شود. این فرضیه ها دارای حمایت های عملی محکمی هستند. همانگونه که Flood می گوید، هر بی هوشی عمومی در استفاده های امروزی حداقل از یک یا چند نوع کانال یونی دارای گیت لیگاندی استفاده می کند. هیچ کدام از مکانیزم های پیشنهاد شده دارای خواص مکانیک- کوانتمی نیستند و حتی دارای محاسبات کوانتمی نیز نیستند. بنابراین بی هوشی هیچ شاخصی برای گمانه زنی های انجام شده در مدل OR( با توجه به هوشیاری) نمی باشد.
با اینحال، اگر هیچ تفسیری در مورد پدیده های مربوط به هوشیاری وجود نداشته باشد، OR ممکن است مورد نیاز باشد. به هر حال دقیقا مشابه تئوری کوانتمی Hameroff در مورد بی هوشی که از تفسیرهای بیوشیمیایی در این زمینه بهتر است، ما انتظار داریم که تئوری های کوانتمی در مورد هوشیاری بهتر از توسعه‌ی تفاسیر محاسباتی بر پایه‌ی نورون ها می باشد. هم اکنون تئوری هایی بر پایه‌ی نورون ها وجود دارد که به وسیله‌ی آنها در مورد هوشیاری آگاهی پیدا می کنیم. بررسی های علمی در مورد هوشیاری هنوز در دوره‌ی طفولیت خود به سر می برد. اما شواهدی وجود دارد که به وسیله‌ی آنها، برتری تفسیرهای مکانیک کوانتمی نسبت به تفاسیر بر پایه‌ی محاسبات نورونی، نشان داده می شود. به طور خاص، OR به عنوان بهترین تئوری کوانتمی در مورد مغز تلقی می شود. با این وجود به وسیله‌ی آن، هیچ حمایت عملی بر پایه‌ی مغز و همچنین هیچ مکانیزم توصیفی اضافی برای پدیده های ذهنی، ایجاد نمی شود.
انتقاد ما در مورد معقول بودن تفاسیر کوانتمی- محاسباتی در مورد هوشیاری، به گونه ای نیست که بگوییم یک چنین تفاسیری غیر ممکن هستند. تئوری ها و تحقیقات دیگر ممکن است قوانین و شواهدی را ارائه دهند که بتواند جنبه های مختلف هوشیاری را نشان دهد. به هر حال، مشکلات محاسباتی و بیولوژیک معینی وجود دارند( که در دو بخش قبلی مورد بررسی قرار گرفتند) که به ما این آگاهی را می دهد که یک چنین توسعه هایی به احتمال کمی می تواند تفاسیر پیوسته ای در مورد محاسبات نورونی استاندارد، ارائه دهد. دوباره متذکر می شویم که استدلال ما می گوید که غیر ممکن است که هر پردازش اطلاعاتی که در مغز رخ می دهد، از مکانیزم های کوانتمی منحصر بفرد استفاده می کند. اگر هوشیاری در پردازش اطلاعات نقشی داشته باشد، تجدید نظر ما بر روی تئوری های کوانتمی ارائه شده در مورد هوشیاری، اعمال می شود. بنابراین، استدلال های ما ممکن است برای افرادی که هوشیاری را پدیده ای غیر فیزیکی( و کاملا روانشناسی) تلقی می کنند، قابل قبول نباشد. اما این مسئله خارج از گستره‌ی تحقیق ما می باشد.
پدیده‌ی روانشناختی دیگر که در این زمینه مورد بررسی قرار گرفته است، تفکر ریاضی است. Penrose بر اساس اولین تئوری نقص Godel، استدلال می کند. این تئوری نشاندهنده‌ی وجود نقص در هر سیستم رسمی پایدار است که برای بیهوشی ارائه شده است. این تئوری همچنین می گوید که بینش ریاضی در اصل غیر قابل شمردن است و بنابراین نیازمند پدیده‌ی OR است و به پردازش محاسباتی کوانتمی در مغز مربوط می شود. جواب های زیادی به تئوری Godel داده شده است. به هر حال کل مفهوم تئوری Godel به طور کامل به وسیله‌یPenrose مورد تأیید قرار نگرفته است. اگرچه ما هنوز نسبت به حالتی که در آن دلایل ریاضی داشته باشیم، بسیار دور هستیم. ولی باید گفت، تئوری Godel بر این مسئله دلالت ندارد که بینش ریاضی باید غیر شمردنی باشد. علم شناخت برخی تئوری ها در مورد نحوه‌ی تفکر و درک ریاضی ارائه کرده است؛ اما هیچ دلیلی وجود ندارد که بگوید محاسبات کوانتمی در پدیده‌ی روانشناختی تفکر ریاضی مداخله دارد. بنابراین نمی توان به سادگی در مورد اثرات کوانتمی ممکنه در معز فرضیه سازی کرد: در نظر نگرفتن چارچوب محاسباتی نورونی در مورد OR نیازمند وجود یک پدیده‌ی ذهنی اجباری است که روشی دیگر برای بررسی بوجود آورد. علاوه براین، مدل OR دارای مکانیزم های بیولوژیک و جزئی است که به نظر می رسد برای این تفسیرهای جایگزین مناسب باشند.
در مجموع، ما یک گروه بهم پیوسته از استدلال های محاسباتی، بیولوژیک و روانشناختی ارائه کرده ایم که مخالف با نظریه‌ی است که در آن می گوید، مغز مانند یک کامپیوتر کوانتمی است. بیایید دوباره به مثال بال پرنده برگردیم. بیان خصوصیت های پیوند اتمی بر روی ساختار بال پرندگان برای تفسیر پرواز آنها ضرورتی ندارد زیرا مکانیک آیرودینامیکی به طور مناسب این پدیده را اثبات می کند. تنها در برخی موارد برای توصیف موضوعاتی مانند هندسه و خصوصیت کششی مواد تشکیل دهنده‌ی بال، به بیان این ویژگی ها نیازمندیم. به دلیل اینکه این ویژگی های خاص در مثال بال وجود ندارد، توصیف پرواز نیازمند بیان اطلاعاتی در مورد پیوندهای اتمی ندارد. به طور مشابه، این به نظر می رسد که برای توصیف پدیده های روانشناختی و عصب شناختی، نیاز به بیان ویژگی های مکانیک- کوانتمی نمی باشد. این کار بر عهده‌ی افرادی است که می خواهند با توسل به تئوری کوانتمی، جنبه های مختلف موجود در مغز را واکاوی کنند. این موضوع نیز به وسیله‌ی تئوری های محاسبات نورونی توصیف نشده است و می تواند به وسیله‌ی محاسبات کوانتمی یا مکانیزم‌های مربوطه، توضیح داده شود. اگر چه شواهد محکم برای وجود خصوصیت های کوانتمی در پدیده های ذهنی کشف شده است، ایده های کنونی نیازمند سنجش این خصوصیات نیست.

نتیجه گیری

Hameroff استدلال می کند که مدل ارائه شده به وسیله‌ی او و Roger به تجدید نظر Tegmark نیازی ندارد زیرا تئوری او بر پایه‌ی برهمنهی در سطح پروتئین های موجود در میکروتیوبول، بیان گذاری شده است. با اینحال، اعمال نیرو بر روی این نزول تا پایین تر از سطح میکروتیوبول ها همچنین مکانیزم های نامحتمل مدل Penrose- Hameroff را پیچیده می کند.