Một phát hiện đột phá từ các nhà khoa học tại Đại học Howard có thể sẽ thay đổi hoàn toàn cách chúng ta hiểu về não bộ và mở ra tiềm năng cho công nghệ máy tính thế hệ mới. Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng cho thấy não người có khả năng thực hiện các phép tính lượng tử – một khả năng mà trước đây chúng ta chỉ cố gắng tạo ra trong các phòng thí nghiệm với điều kiện cực kỳ khắc nghiệt.
Trung tâm của phát hiện này là một axit amin có tên tryptophan, thường được biết đến là thành phần gây buồn ngủ trong thịt gà tây. Khi tryptophan hấp thụ ánh sáng cực tím, nó phát ra ánh sáng yếu ở tần số thấp hơn – hiện tượng này gọi là huỳnh quang.
Các sinh vật sống có thể lưu giữ và xử lý thông tin bằng cách sử dụng các hiện tượng lượng tử được kích hoạt bởi ánh sáng
Tuy nhiên, điều đặc biệt xảy ra khi nhiều phân tử tryptophan hoạt động cùng nhau trong các cấu trúc protein có tổ chức cao: chúng bắt đầu phát sáng mạnh hơn và nhanh hơn nhiều so với dự đoán của các quy luật vật lý thông thường. Hiện tượng này, được gọi là “siêu bức xạ”, chỉ có thể được giải thích bằng vật lý lượng tử.
” Công trình này kết nối các điểm giữa những trụ cột vĩ đại của vật lý thế kỷ 20 – nhiệt động học, thuyết tương đối và cơ học lượng tử – đánh dấu một sự thay đổi lớn về mô hình tư duy, ” Philip Kurian, giám đốc sáng lập của Phòng thí nghiệm Sinh học Lượng tử tại Đại học Howard và là người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết.
Điều khiến phát hiện này đặc biệt bất ngờ là vì hiệu ứng lượng tử thường chỉ tồn tại trong các hệ thống nhỏ, lạnh và được kiểm soát chặt chẽ. Máy tính lượng tử hiện đại phải hoạt động ở nhiệt độ lạnh hơn cả vũ trụ để tránh nhiễu. Ngược lại, hệ thống sống như não người lại ấm áp, náo nhiệt và đầy những hoạt động hóa học hỗn loạn. Theo lý thuyết truyền thống, môi trường như vậy sẽ phá hủy bất kỳ tính chất lượng tử tinh tế nào.
Hình ảnh một tế bào được phóng to dưới kính hiển vi
Tuy nhiên, nhóm của Kurian đã chứng minh rằng các mạng lưới khổng lồ gồm hơn 100.000 phân tử tryptophan, được sắp xếp trong các cấu trúc vi ống và trung tâm tế bào, có thể hoạt động như các hệ thống lượng tử quang học. Thậm chí khi các nhà nghiên cứu cố tình tạo ra sự hỗn loạn trong thí nghiệm, các hiệu ứng lượng tử vẫn tồn tại ở nhiệt độ sinh học bình thường.
Giáo sư Majed Chergui từ École Polytechnique Fédérale de Lausanne, người dẫn đầu nhóm thực nghiệm, giải thích: ” Chúng tôi đã phải áp dụng các phương pháp quang phổ protein tiêu chuẩn một cách rất chính xác và cẩn thận, nhưng với sự hướng dẫn từ các dự đoán lý thuyết của các cộng sự, chúng tôi đã có thể xác nhận một dấu hiệu đáng kinh ngạc của siêu bức xạ trong một hệ thống sinh học ở quy mô micro .”
Nhóm nghiên cứu tin rằng các mạng lưới tryptophan lớn này có thể đã tiến hóa để tận dụng các tính chất lượng tử của chúng. Chẳng hạn, khi tế bào hô hấp bằng oxy, chúng tạo ra các gốc tự do có thể phát ra các photon cực tím năng lượng cao, gây tổn thương DNA và các phân tử quan trọng khác.
Các mạng tryptophan hoạt động như những tấm khiên tự nhiên, hấp thụ ánh sáng có hại này và phát ra lại ở năng lượng thấp hơn, giảm thiểu tổn thương. Nhờ siêu bức xạ, chúng có thể thực hiện chức năng bảo vệ này nhanh hơn và hiệu quả hơn nhiều so với từng phân tử riêng lẻ.
Tốc độ này còn quan trọng hơn trong não bộ. Các mô hình khoa học thần kinh truyền thống cho rằng thông tin được truyền giữa các nơ-ron bằng tín hiệu hóa học, mất khoảng mili giây để hoàn thành. Nhưng nghiên cứu của Kurian phát hiện ra rằng quá trình truyền tín hiệu siêu bức xạ diễn ra trong pico giây – nhanh hơn khoảng một tỷ lần.
Mô hình phân tử tryptophan quay tròn – một loại axit amin quan trọng trong cơ thể
Trong một nghiên cứu trước đó được công bố trên The Journal of Physical Chemistry, nhóm của Kurian đã phát hiện rằng những tín hiệu này có thể cho phép tế bào chia sẻ thông tin ở tốc độ và quy mô mà các mô hình truyền thống không thể giải thích. Chúng có thể hoạt động như cáp quang, truyền dữ liệu dựa trên ánh sáng qua các mô và cho phép một cấp độ mới của điện toán sinh học.
” Sự bảo vệ quang học này có thể là yếu tố quan trọng trong việc làm chậm hoặc ngăn chặn các bệnh thoái hóa ,” Kurian nói. ” Chúng tôi hy vọng điều này sẽ truyền cảm hứng cho một loạt các thí nghiệm mới để hiểu cách bảo vệ quang học tăng cường lượng tử đóng vai trò trong các bệnh lý phức tạp phát triển trong điều kiện oxy hóa cao .”
Trong bài báo của mình, Kurian đã thực hiện một bước táo bạo: ông tính toán lượng thông tin mà sự sống trên Trái đất có thể đã xử lý kể từ khi bắt đầu, dựa trên các quy luật của cơ học lượng tử, tốc độ ánh sáng và mật độ vật chất trong vũ trụ. Ông phát hiện ra rằng quá trình xử lý thông tin của sự sống – được hỗ trợ bởi các cấu trúc tăng cường lượng tử như mạng lưới tryptophan – có thể sánh ngang với tất cả vật chất đã biết trong vũ trụ có thể quan sát được.
Giáo sư Seth Lloyd từ MIT, một người tiên phong trong lĩnh vực điện toán lượng tử, đã khen ngợi nghiên cứu này. ” Thật tốt khi được nhắc nhở rằng quá trình tính toán được thực hiện bởi các hệ thống sống mạnh mẽ hơn nhiều so với các hệ thống nhân tạo ,” ông nói.
Thậm chí các nhà khoa học vũ trụ cũng chú ý đến phát hiện này. Dante Lauretta, giám đốc Trung tâm Sinh học Vũ trụ Arizona, cho biết rằng các dự đoán của Kurian mang lại những hiểu biết mới trong việc tìm kiếm sự sống ở những nơi khác trong vũ trụ. ” Những đặc tính đáng chú ý của phương thức truyền tín hiệu và xử lý thông tin này có thể là một bước đột phá trong việc nghiên cứu các hành tinh có thể sinh sống ,” ông nói.
Phát hiện này có thể làm thay đổi cách chúng ta tìm kiếm sự sống trên các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời.
Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng trong khi hầu hết các nghiên cứu tập trung vào nơ-ron, phần lớn sự sống trên Trái đất lại không có hệ thần kinh. Vi khuẩn, thực vật, nấm và sinh vật đơn bào chiếm phần lớn sinh khối của hành tinh. Các hệ thống sống này có thể sử dụng mạng lưới tryptophan và hiệu ứng lượng tử hiệu quả như não bộ vậy.
Sự hiện diện của siêu bức xạ trong những sinh vật đơn giản này gợi ý rằng xử lý thông tin lượng tử có thể là một đặc điểm cốt lõi của sự sống – không chỉ là một tính năng bổ sung cho sinh vật phức tạp.
Kurian hy vọng công trình này sẽ thúc đẩy các nghiên cứu sâu hơn về khía cạnh lượng tử của sự sống. ” Trong kỷ nguyên của trí tuệ nhân tạo và máy tính lượng tử, điều quan trọng là phải nhớ rằng các quy luật vật lý hạn chế tất cả hành vi của chúng ,” ông nói. ” Và tuy những giới hạn vật lý nghiêm ngặt này cũng áp dụng cho khả năng của sự sống trong việc hiểu và mô phỏng vũ trụ, chúng ta vẫn có thể khám phá và hiểu nó. Thật là điều kỳ diệu khi chúng ta được đóng một vai trò như vậy .”
Phát hiện này có tiềm năng mở ra những hướng nghiên cứu mới trong các lĩnh vực từ y học đến khoa học máy tính. Nếu chúng ta có thể hiểu và mô phỏng cách não bộ sử dụng hiệu ứng lượng tử, chúng ta có thể phát triển các loại máy tính lượng tử mới hoạt động ở nhiệt độ phòng, các phương pháp điều trị mới cho bệnh thoái hóa thần kinh, và thậm chí là những hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất của ý thức.
Nguồn tin: https://genk.vn/cac-nha-nghien-cuu-my-phat-hien-may-tinh-luong-tu-ngay-trong-nao-nguoi-mo-duong-cho-the-he-may-tinh-moi-20250507212646829.chn