О взаимосвязи биоэлектроники и квантовой метрологии

Рассмотрена взаимосвязь отправных положений квантовой кибернетики и квантовой метрологии, вытекающая из ключевого понятия когерентности, которое в силу фундаментальности постоянной Планка h приводит к принципам самопрограммирования как организующему началу квантовых «вычислений» и измерений — основы искусственного интеллекта.

Известный биофизик А. Сент-Дьердьи определил биоэлектронику как исследование в области клеточной регуляции, подчеркивая при этом, что только квантовая механика способна объяснить биологические явления и на электронном (субмолекулярном) и на организмен- ном (надмолекулярном) уровнях.

Несмотря на огромные успехи современной биологии, биологический подход до сих пор не смог объяснить процесс самоорганизации ’’атома жизни” — клетки из молекул, как и современная наука не нашла объяснения феномену жизни на уровне клетки, а тем более физической природе психики (сознанию и самосознанию) .Очевидно, нужен новый, интегральный подход.

О необходимости привлечения кибернетического подхода, а вместе с тем идей и аппарата квантовой физики для решения этой проблемы неоднократно указывали ведущие физики и математики XX века. Этот вопрос подробно обсуждается в работе, в которой показано, что ключевой идеей, объединяющей природные явления различного уровня сложности, является идея когерентности, а конкретно для биологии — использование коллективных квантовых явлений типа сверхпроводимости и мазерного эффекта (нестационарного эффекта Джозефсона). Эти явления в силу когерентности (фазировки) процессов могут проявляться и в макроскопических масштабах — от отдельной клетки до сообщества индивидуумов.

Пути достижения квантовых пределов в информационной технологии в виде квантового кибернетического устройства — вычислителя с предельными возможностями (высококогерентного микроволнового ’’биокомпьютера”) можно рассмотреть на примере физической модели биоэлектронной информационно-вычислительной среды (атомно-молекулярный уровень технологии).

Полученные результаты связаны с выяснением физических ограничений современных и разрабатываемых информационных технологий, обусловленных, в первую очередь, размерными эффектами. Эти ограничения преодолеваются в модели путем использования непрерывного (волнового или спектрального) представления информации вместо дискретного (цифрового).

При этом основной принцип высоких технологий — интеграция — получает дальнейшее развитие, но интеграция в виде коллективного (когерентного) процесса осуществляется не в обычном трехмерном (евклидовом) пространстве, а в многомерном пространстве временных частот (Фурье-пространстве).

По мере приближения традиционной микроэлектроники, а также развивающейся наноэлектроники, к физическим и технологическим ограничениям возрастает роль высокоточных методов и средств измерений различных физических величин. Как показано в работе, решение сложного комплекса метрологических проблем микроэлектроники должно основываться на использовании встроенных мер, использующих фундаментальные физические константы (h, си др.).

Опора на эти константы в высокоточных измерениях означает опять-таки использование макроскопических (высококогерентных) квантовых эффектов типа эффектов Джозефсона, которые могут непосредственно связывать константы с измеряемыми величинами (магнитный поток, фаза электромагнитного излучения и др.). Именно поэтому подобные метрологические средства называются квантовыми. Они характеризуются очень высокими стабильностью и энергетическим разрешением (порядка 10 h!).

Эта тенденция слияния прецизионных технологий и метрологии, как показано в работе, достигает естественного предела в виде биоэлектронной информационно-вычислительной среды. Макроскопический характер коллективных (когерентных) квантовых процессов позволяет живой природе использовать эти процессы непосредственно для внутренних измерений (’’самоизмерения”), по сути тождественных биоэлектронным ’’вычислениям”.

Далее кратко обсуждаются некоторые результаты проведенной работы, а также связь отправных положений квантовой кибернетики и квантовой метрологии.