Reverse Feedback Technologie des Lebendigen?

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 / 8. June. 2018

Beim Quantum Computing geht es grundsätzlich um die instantane Speicherung und logarithmische Verarbeitung von Möglichkeiten bzw. von Daten. Daraus resultiert der entscheidende Gewinn hinsichtlich der Speichermöglichkeit und Rechengeschwindigkeit: mit N QuBits können 2N Möglichkeiten auf einer binären Basis dargestellt werden. So stellt ein klassisches Hopfield-Netz max. 0.14 n Muster dar; ein Quantenregister hingegen kann 2N Muster darstellen. Wird die Information verarbeitet, indem entsprechend komplexe Zustände durch Operatoren ineinander überführt werden, so vergeht nur eine logarithmische Zeit (log2N). Ein Quantencomputer entspricht somit einem ultraschnellen Parallelrechner und ist daher auch in der Lage, NP-spezifische Probleme zu lösen.

Der nächste Schritt in der Entwicklung von Quantencomputern wurde kürzlich durch Intel vorgestellt: ein neuromorpher Chip mit 49-QuBits. Hier erfolgt eine Zustandsänderung der klassischen Netzwerkarchitektur in Abhängigkeit vom Quantenzustand. Daher gibt es ein reverses Feedback vom Quantenzustand auf den klassischen Zustand. Das imitiert die Funktionsweise des Gehirns, das u.U. auch einem zwei-Schichten-Netzwerk entspricht: einer quantischen sowie einer klassischen Schicht. Beide bilden komplexe Muster aus und kodieren in den Mustern Information. Beide beeinflussen sich gegenseitig.

Einen anderen Ansatz verfolgt das topologische Quantum Computing (Steve Simon). Hier wird mit Weltlinien in der Raumzeit gerechnet, die praktisch auf zwei Dimensionen beschränkt sind. Aktuell läuft die Suche nach entsprechenden physikalischen Substraten: beim Quanten-Hall-Effekt bewegt sich faktisch ein Elektron in einer 2-D-Ebene. Die Beschränkung auf zwei Dimensionen gewährleistet die Darstellung von Schleifen, die durch Wellenfunktionen beschrieben werden. Bei nicht-trivialen topologischen Quantenzuständen, die in Weltlinien realisiert sind und die binäre Zustände abbilden, hängt die Amplitude einer Wellenfunktion ausschließlich von der Topologie eines Quantenzustandes ab: werden zwei Quantenzustände ineinander anhand der Kaufman-Regeln überführt, etwa durch „Rühren“, und werden nicht-äquivalente topologische Deformationen erzeugt, so verändert das die Amplitude, was messbar ist. Jeder Änderung der Amplitude wiederum entspricht ein quantenmechanischer Operator und mit ihm die Lösung für ein mathematisches Problem, etwa der Berechnung der Kaufman-Invarianz, bei dem die Rechenzeit exponentiell steigt.

Was passiert jedoch, wenn die Basis eines Quantencomputers nicht mehr binär ist, d.h. nicht in Spinzuständen o.ä. abgebildet wird? Das wird technisch derzeit nur indirekt in Form von Quantenregistern realisiert, die einer Kombination von binären Zuständen entsprechen. Eine direkte Abbildung komplexer Quantenzustände steht noch aus.

Wie könnte eine direkte Abbildung von komplexen Quantenzuständen aussehen? Seth Lloyd schlug vor, ein Photon durch eine Linse zu „dehnen“ und durch eine CD reflektieren zu lassen. Der Rebounce des Photons von den binären Zuständen würde zu einer Kodierung des binären Musters der CD in der Wellenfunktion des Photons führen.

Was würde nun passieren, wenn anstelle der CD ein organisches Molekül in einem Quantenzustand „abgebildet“ bzw. kodiert wird? Das sollte sämtliche Möglichkeiten der Kombinatorik des Moleküls bzw. der Relationen zwischen den Atomen (i.S. von verfestigten Wechselwirkungen) erfassen. Technisch scheitert derzeit eine solche Abbildung an verschiedenen Faktoren, bes. am thermodynamischen Rauschen des Moleküls sowie der Zerstreuung des Photons oder von Photonen in verschiedene Raumrichtungen. Möglicherweise würde das Einlesen der Quanteninformation, die die Basis der molekularen Struktur bildet, durch eine holografische Enkodierung möglich sein – das wäre der reverse Prozess zu einer holografischen Dekodierung. Es geht um das Ein- und Auslesen von Quanteninformation und das Verständnis der gegenseitigen Veränderung des quantischen und klassischen Systems beim „Präparations- oder Messvorgang“ bzw. beim Agieren eines Operators auf das Quantensystem.

Sind organische Moleküle ein Quantencomputer, der eine geordnete, strukturierte Quanteninformation kodiert und verarbeitet? Ein Quantencomputer vermag verschiedene Möglichkeiten instantan zu „screenen“ und miteinander zu vergleichen. Das geschieht scheinbar auch etwa bei der Proteinfaltung: 2N verschiedene Möglichkeiten der Faltung (oder sonstige Möglichkeiten) können nicht durch klassisches Trial and Error „ausprobiert“ werden. Bei einer nichtbinären Basis gibt es sogar xN verschiedene Möglichkeiten!

Hier kann ein Quantensystem die Auswertung der Möglichkeiten übernehmen sowie die Kodierung einer Quanten-(An-)Ordnung, die sich makroskopisch auswirkt (up-scaling). Solche Überlegungen sind Gegenstand der Quantenbiologie. Sie beschäftigt sich mit mikroskopischen Quanteneffekten, die einen makroskopischen Effekt nach sich ziehen, etwa das Durchtunneln einer Wasserstoffbrückenbindung durch das Proton, von dessen Lage (weiter „rechts“ oder „links“) die makroskopische Basenpaarung abhängt. Die Quantenbiologie identifiziert also Quantum Dots: sie sind „Punkte“, an denen ein Quanteneffekt eine makroskopische Wirkung hinterlassen kann. Was an den Quantum Dots als Interface ansetzen würde, wäre ein Quantensystem, das eine komplexe Ordnung kodiert. Diese Ordnung wirkt dann zurück auf die klassische Morphologie.

Das wäre eine entscheidende Innovation gegenüber dem o.g. neuromorphen Chip von Intel. Der Unterschied betrifft das Quantensystem: vermutlich ist die Ordnung der Wechselwirkungen eines lebendigen biologischen Systems durch eine holistische Quanteninformations-Matrix bestimmt. Diese Quanteninformations-Matrix muss relativ stabil sein. Sie sollte unter noch zu erforschenden bestimmten Umständen emergieren, indem verschiedene Möglichkeiten in einer höherwertigen Meta-Möglichkeit integriert werden. Damit bestimmt ein komplexes Quantensystem das System der klassischen Wechselwirkungen.

An dieser Stelle wird der Begriff der „komplexen Information“ (CI = Complex Information) eingeführt, um die spezifischen Muster, die Wechselwirkungen komplexer Systeme kodieren, zu beschreiben. CI sollte in einem makroskopischen komplexen Quantensystem implementiert sein (MCQS = Macroscopic Complex Quantum System). MCQS ist das Netzwerk von miteinander verschränkten Quantum-Dots – aufgrund der Gefahr der Dekohärenz physikalisch realisiert durch das EM-Feld (Photonen) und evtl. durch den Raum (Weltlinien). MCQS führt einlaufende klassische Information zusammen (Speicherung von CI) und verarbeitet sie – möglicherweise durch eine nicht-binäre oder sogar nicht-algorithmische Transformation von CI-Quantenzuständen (Roger Penrose).

Um die damit angedeutete und derzeit fehlende Innovation im Quantum Computing zu erreichen, wäre es förderlich, wenn einem interdisziplinären Team die Möglichkeit eröffnet wäre, CI in MCQS zu entwickeln. Das würde die rechnerische und adaptive Leistung von Quantencomputern aufgrund der erhöhten Kombinationsmöglichkeiten signifikant verbessern. Damit wären die hier geäußerten Hypothesen in Form einer „Technologie des Lebendigen“ durch eine komplexe Reverse FeedbackTechnologie verifiziert.

Der Autor: Prof. Dr. Imre Koncsik ist seit 1996 im Hochschuldienst aktiv (Uni Bamberg 1996-2002, LMU München 2002-2014, HS Heiligenkreuz/Wien seit 2014). Derzeit ist er Professor für Systematische Theologie mit dem Schwerpunkt Natur- und Technikphilosophie an der Phil.-Theol. Hochschule Benedikt XVI. Heiligenkreuz/Wien. Er veröffentlichte über 60 Fachbeiträge, 16 Monografien (Auswahl: Synergetische Systemtheorie. Ein hermeneutischer Schlüssel zum Verständnis der Wirklichkeit, Berlin 2011, Theologie, Philosophie und Naturwissenschaften. Ausgewählte Beiträge, Saarbrücken 2012, Der Geist – ein komplexes Quantensystem? Interdisziplinäre Skizze einer „theory of mind“, Wiesbaden 2015 (Springer Essentials), Die Entschlüsselung der Wirklichkeit. Ist das Universum ein Programm und Gott der Programmierer? Berlin, Heidelberg 2016 (Springer Spektrum), Quantum Mind. Dem Geheimnis „Geist“ auf der Spur, Göttingen 2017). Auch gehört er zur interdisziplinären QPP-Gruppe unter der Leitung des Biophysikers Jack Tuszinsky (Uni Alberta). Siehe dazu: http://www.quantumbionet.org/eng/ / Schirmherr: Karry Mullis (Nobelpreis 1993). Er hält zahlreiche Vorträge auf interdisziplinären Tagungen und entwirft Konzepten für interdisziplinäre Forschungsprojekte mit dem Schwerpunkt auf der Steuerung von klassischen Systemen durch sog. makroskopische komplexe Quantensystemen (letztes Projekt: „Was ist Leben“ – gefördert von der VW-Stiftung)

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