[논문 리뷰] Quantum information in quantum cognition

Nicole Yunger Halpern, Elizabeth Crosson|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 13.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

논문은 포지어 분자의 인산화 핵스핀이 인지 기능에서 양자 정보 처리를 가능하게 하는 강건한 생물학적 큐비트로 작용할 수 있다고 제안한다. 이는 포지어 기반의 양자 계산 프레임워크를 개발하여 양자 오류 수정, 비협동 상태 텔레포테이션, 그리고 양자 얽힘에 의한 분자 결합 속도 변화를 입증하며, 주요 결과로는 보편적인 측정 기반 양자 계산을 위한 자원 상태를 효율적으로 준비할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Matthew Fisher recently postulated a mechanism by which quantum phenomena could influence cognition: Phosphorus nuclear spins may resist decoherence for long times. The spins would serve as biological qubits. The qubits may resist decoherence longer when in Posner molecules. We imagine that Fisher postulates correctly. How adroitly could biological systems process quantum information (QI)? We establish a framework for answering. Additionally, we apply biological qubits in quantum error correction, quantum communication, and quantum computation. First, we posit how the QI encoded by the spins transforms as Posner molecules form. The transformation points to a natural computational basis for qubits in Posner molecules. From the basis, we construct a quantum code that detects arbitrary single-qubit errors. Each molecule encodes one qutrit. Shifting from information storage to computation, we define the model of Posner quantum computation. To illustrate the model's quantum-communication ability, we show how it can teleport information incoherently: A state's weights are teleported; the coherences are not. The dephasing results from the entangling operation's simulation of a coarse-grained Bell measurement. Whether Posner quantum computation is universal remains an open question. However, the model's operations can efficiently prepare a Posner state usable as a resource in universal measurement-based quantum computation. The state results from deforming the Affleck-Lieb-Kennedy-Tasaki (AKLT) state and is a projected entangled-pair state (PEPS). Finally, we show that entanglement can affect molecular-binding rates (by 0.6% in an example). This work opens the door for the QI-theoretic analysis of biological qubits and Posner molecules.

연구 동기 및 목표

• 포지어 분자의 인산화 핵스핀을 생물학적 큐비트로 사용한 양자 정보 처리를 위한 이론적 프레임워크를 수립하는 것.
• 포지어 분자 형성 과정에서 얽힌 정보가 어떻게 변환되는지, 그리고 디코herence로부터 어떻게 보호될 수 있는지 조사하는 것.
• 각 포지어 분자에 인코딩된 큐트리트를 사용하여 임의의 단일 큐비트 오류를 탐지할 수 있는 양자 오류 수정 코드를 설계하는 것.
• 자원 상태 준비를 통해 양자 통신 및 보편적 양자 계산을 수행할 수 있는 포지어 양자 계산 모델을 정의하는 것.
• 얽힘의 영향을 분석하여 분자 결합 속도에 미치는 영향을 생화학적 맥락에서 정량화하는 것.

제안 방법

• 분자 형성 과정에서 스핀 상태의 변환에 기반하여 포지어 분자의 큐비트를 위한 계산 기저를 제안하는 것.
• 각 포지어 분자에 인코딩된 큐트리트를 사용하여 임의의 단일 큐비트 오류를 탐지할 수 있는 양자 코드를 구성하는 것.
• 포지어 양자 계산의 모델을 정의하여 얽힘 게이트를 시뮬레이션하고, 굴곡진 벨 측정을 수행하는 연산을 명시하는 것.
• 비협동적 양자 텔레포테이션을 입증하기 위해, 상태 가중치는 전송되나 위상 일관성이 엉키는 연산으로 인한 위상 분리로 인해 손실된다는 것을 보여주는 것.
• 포지어 상태가 애프렉트-라이브-켄네디-태서키(Affleck-Lieb-Kennedy-Tasaki, AKLT) 상태에서 변형되어 보편적인 측정 기반 양자 계산을 위한 자원으로 사용할 수 있는 투영된 얽힌 쌍 상태(PEPS)로 변형될 수 있음을 보여주는 것.
• 모델 시스템을 사용하여 얽힘의 영향을 분석하고, 특정 예시에서 결합 확률에 0.6%의 변화가 있음을 정량화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포지어 분자의 인산화 핵스핀은 생물학적 시스템에서 양자 정보 처리를 위한 안정적인 큐비트로 기능할 수 있는가?
• RQ2 포지어 분자 형성 과정에서 양자 정보는 어떻게 변환되며, 이러한 큐비트에 대한 천연 계산 기저는 무엇인가?
• RQ3 포지어 분자에 인코딩된 큐트리트를 사용하여 단일 큐비트 오류를 보호할 수 있는 양자 오류 수정 코드를 구성할 수 있는가?
• RQ4 포지어 양자 계산은 보편적 양자 계산을 수행할 수 있으며, 포지어 상태는 자원 상태로서 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 포지어 분자 간의 얽힘이 생화학적 과정에서의 결합 속도에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• 각 포지어 분자에 인코딩된 큐트리트를 사용하여 임의의 단일 큐비트 오류를 탐지할 수 있는 양자 오류 수정 코드가 구성되었다.
• 포지어 양자 계산 모델은 비협동적 양자 텔레포테이션을 가능하게 하며, 상태 가중치는 전송되지만 굴곡진 벨 측정으로 인한 위상 분리로 인해 위상 일관성이 손실된다는 것을 보여준다.
• 포지어 상태는 애프렉트-라이브-켄네디-태서키(Affleck-Lieb-Kennedy-Tasaki, AKLT) 상태를 변형하여 투영된 얽힌 쌍 상태(PEPS)로 효율적으로 준비될 수 있으며, 이는 보편적인 측정 기반 양자 계산을 위한 자원 상태로 사용될 수 있다.
• 특정 예시에서 포지어 분자 간의 얽힘이 분자 결합 속도에 최대 0.6%의 영향을 미치며, 이는 양자 얽힘의 측정 가능한 생화학적 서명임을 시사한다.
• 이 프레임워크는 생물학적 큐비트와 포지어 분자의 QI 이론적 분석 기반을 마련하며, 양자 정보와 인지 과정을 연결한다.