Các nhà khoa học Mỹ phát hiện "máy tính lượng tử" ngay trong não người, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ máy tính.

Phát hiện này hoàn toàn làm thay đổi quan niệm truyền thống cho rằng hiệu ứng lượng tử chỉ tồn tại trong các hệ thống nhỏ, lạnh và được kiểm soát chặt chẽ.

Một khám phá đột phá từ Đại học Howard có thể thay đổi hoàn toàn cách chúng ta hiểu về não bộ và mở ra tiềm năng cho công nghệ máy tính tương lai. Nghiên cứu trên tạp chí Science Advances cho thấy não người có khả năng thực hiện các phép tính lượng tử – điều trước đây chỉ được tạo ra trong phòng thí nghiệm với điều kiện khắt khe.

Trung tâm của phát hiện là axit amin tryptophan, vốn nổi tiếng là thành phần gây buồn ngủ trong thịt gà tây. Khi hấp thụ tia cực tím, tryptophan phát ra ánh sáng yếu ở tần số thấp hơn – gọi là hiện tượng huỳnh quang.

Khi nhiều phân tử tryptophan phối hợp trong các cấu trúc protein có tổ chức cao, chúng phát sáng mạnh và nhanh hơn rất nhiều so với dự đoán vật lý cổ điển. Hiện tượng này gọi là "siêu bức xạ", chỉ có thể giải thích bằng vật lý lượng tử.

"Công trình này kết nối các trụ cột vĩ đại của vật lý thế kỷ 20 - nhiệt động học, thuyết tương đối và cơ học lượng tử - đánh dấu bước chuyển lớn trong tư duy," Philip Kurian, giám đốc Phòng thí nghiệm Sinh học Lượng tử Đại học Howard và trưởng nhóm nghiên cứu, chia sẻ.

Điều gây bất ngờ trong phát hiện này là hiệu ứng lượng tử thường chỉ xuất hiện trong các hệ thống nhỏ, lạnh và được kiểm soát kỹ lưỡng. Máy tính lượng tử hiện đại phải hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn cả vũ trụ để tránh nhiễu, trong khi não người lại ấm áp, sôi động và đầy các phản ứng hóa học phức tạp. Theo lý thuyết cũ, môi trường này sẽ phá hủy mọi tính chất lượng tử tinh vi.

Nhóm của Kurian đã chứng minh rằng mạng lưới khổng lồ hơn 100.000 phân tử tryptophan trong các cấu trúc vi ống và trung tâm tế bào có thể hoạt động như các hệ thống lượng tử quang học. Ngay cả khi tạo ra sự hỗn loạn trong thí nghiệm, các hiệu ứng lượng tử vẫn bền vững ở nhiệt độ sinh học bình thường.

Giáo sư Majed Chergui từ École Polytechnique Fédérale de Lausanne, trưởng nhóm thực nghiệm, giải thích: "Chúng tôi đã dùng các phương pháp quang phổ protein tiêu chuẩn một cách chính xác và cẩn thận, nhờ hướng dẫn từ dự đoán lý thuyết, xác nhận được dấu hiệu siêu bức xạ đáng kinh ngạc trong một hệ thống sinh học ở quy mô vi mô."

Nhóm nghiên cứu cho rằng các mạng lưới tryptophan lớn này có thể đã tiến hóa để tận dụng tính chất lượng tử của chúng. Khi tế bào hô hấp bằng oxy, chúng tạo ra gốc tự do phát photon cực tím năng lượng cao, có thể gây tổn hại DNA và phân tử quan trọng khác.

Các mạng tryptophan đóng vai trò như tấm khiên tự nhiên, hấp thụ ánh sáng có hại và phát lại với năng lượng thấp hơn, giảm thiểu tổn thương. Nhờ hiện tượng siêu bức xạ, chúng thực hiện chức năng bảo vệ này nhanh và hiệu quả hơn nhiều so với từng phân tử riêng lẻ.

Tốc độ này đặc biệt quan trọng trong não bộ. Mô hình thần kinh truyền thống cho rằng tín hiệu giữa các nơ-ron truyền qua hóa học mất mili giây để hoàn thành, nhưng nghiên cứu của Kurian cho thấy quá trình truyền tín hiệu siêu bức xạ xảy ra trong pico giây – nhanh hơn khoảng một tỷ lần.

Trong nghiên cứu trước đăng trên The Journal of Physical Chemistry, nhóm Kurian phát hiện các tín hiệu này giúp tế bào truyền thông tin với tốc độ và phạm vi vượt ngoài khả năng giải thích của các mô hình truyền thống, hoạt động như cáp quang truyền ánh sáng qua mô, mở ra một cấp độ mới trong điện toán sinh học.

"Sự bảo vệ quang học này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc làm chậm hoặc ngăn ngừa các bệnh thoái hóa", Kurian chia sẻ. "Chúng tôi hy vọng sẽ kích thích hàng loạt thí nghiệm mới nhằm tìm hiểu vai trò của bảo vệ quang học tăng cường lượng tử trong các bệnh phức tạp phát triển trong môi trường oxy hóa cao."

Trong bài báo, Kurian mạo hiểm tính toán lượng thông tin mà sự sống trên Trái Đất đã xử lý từ khi bắt đầu, dựa trên cơ học lượng tử, tốc độ ánh sáng và mật độ vật chất vũ trụ, phát hiện rằng quá trình này – hỗ trợ bởi các cấu trúc tăng cường lượng tử như mạng lưới tryptophan – có thể tương đương với tổng vật chất trong vũ trụ quan sát được.

Giáo sư Seth Lloyd từ MIT, người tiên phong điện toán lượng tử, khen ngợi: "Thật tuyệt khi được nhắc rằng quá trình tính toán trong các hệ thống sống mạnh mẽ hơn nhiều so với các hệ thống nhân tạo."

Các nhà khoa học vũ trụ cũng để ý đến khám phá này. Dante Lauretta, giám đốc Trung tâm Sinh học Vũ trụ Arizona, nhận định các dự đoán của Kurian mở ra hiểu biết mới trong việc tìm kiếm sự sống ngoài trái đất: "Đặc tính truyền tín hiệu và xử lý thông tin độc đáo này có thể là bước đột phá trong nghiên cứu các hành tinh có thể sinh sống."

Các nhà khoa học nhấn mạnh rằng dù đa số 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 hành tinh và có thể tận dụng mạng lưới tryptophan cùng hiệu ứng lượng tử tương tự như não bộ.

Việc phát hiện siêu bức xạ ở những sinh vật đơn giản này cho thấy xử lý thông tin lượng tử có thể là đặc điểm nền tảng của sự sống, không chỉ đơn thuần là một tính năng phụ cho sinh vật phức tạp.

Kurian kỳ vọng nghiên cứu sẽ mở rộng các khám phá về khía cạnh lượng tử của sự sống. "Trong thời đại trí tuệ nhân tạo và máy tính lượng tử, điều cần nhớ là các quy luật vật lý chi phối mọi hành vi," ông nói. "dù những giới hạn này tác động đến khả năng của sự sống trong việc hiểu và mô phỏng vũ trụ, chúng ta vẫn có thể tiếp tục khám phá và thấu hiểu, đó là điều thật kỳ diệu."

Phát hiện này có thể mở ra hướng nghiên cứu mới trong nhiều lĩnh vực như y học và khoa học máy tính. Nếu hiểu và mô phỏng được cách não bộ dùng hiệu ứng lượng tử, chúng ta có thể phát triển máy tính lượng tử hoạt động ở nhiệt độ phòng, phương pháp điều trị bệnh thoái hóa thần kinh, và khám phá sâu hơn về bản chất ý thức.