Pourquoi vous soucier de la neuroscience quantique

Indications d’un avenir incroyablement excitant

Au cas où vous ne l’auriez pas entendu, la science quantique est en pleine ébullition à l’heure actuelle, avec des discussions enthousiastes sur des ordinateurs quantiques incroyablement puissants, une communication quantique ultra-efficace et une cyber-sécurité impénétrable grâce au cryptage quantique.

Pourquoi tout le battage médiatique?

En termes simples, la science quantique promet des pas de géant au lieu des petits pas auxquels nous nous sommes habitués grâce à la science quotidienne. La science quotidienne, par exemple, nous donne de nouveaux ordinateurs qui doublent leur puissance tous les 2-3 ans, tandis que la science quantique promet des ordinateurs avec des milliards de fois plus de puissance que l’ordinateur le plus musclé disponible aujourd’hui.

En d’autres termes, la science quantique, si elle aboutit, produira un changement radical de technologie qui transformera le monde tel que nous le connaissons, d’une manière encore plus profonde que l’Internet ou les smartphones.

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Les possibilités époustouflantes de la science quantique découlent toutes d’une même vérité: les phénomènes quantiques enfreignent complètement les règles qui limitent ce que des phénomènes «classiques» (normaux) peuvent accomplir.

La superposition quantique et l’intrication quantique sont deux exemples où la science quantique rend soudainement impossible ce qui était impossible.

Commençons par la superposition quantique.

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Dans le monde normal, un objet tel qu’une balle de baseball ne peut être qu’à un endroit à la fois. Mais dans le monde quantique, une particule telle qu’un électron peut occuper simultanément un nombre infini de places , existant dans ce que les physiciens appellent une superposition d’états multiples. Ainsi, dans le monde quantique, une chose se comporte parfois comme une multitude de choses différentes.

Superposition

Source: CC0

Examinons maintenant l’intrication quantique en élargissant un peu plus l’analogie avec le baseball. Dans le monde normal, deux balles de baseball assis dans des casiers sombres situés dans des stades de ligues majeures à Los Angeles et à Boston sont totalement indépendants l’un de l’autre, de sorte que si vous ouvriez l’un des casiers de stockage pour regarder un ballon de baseball, il ne se passerait absolument rien. dans un casier de stockage sombre à 3 000 milles. Mais dans le monde quantique, deux particules individuelles, telles que des photons, peuvent être enchevêtrées, de sorte que le simple fait de détecter un photon avec un détecteur force instantanément l’autre photon, quelle que soit sa distance, à adopter un état particulier.

Un tel enchevêtrement signifie que dans l’univers quantique, plusieurs entités distinctes peuvent parfois se comporter comme une seule entité, quelle que soit la distance les séparant.

Cela équivaudrait à changer l’état d’un ballon de baseball, en l’obligeant par exemple à se trouver sur l’étagère supérieure ou inférieure d’un casier de stockage, simplement en ouvrant un casier de stockage à 3 000 milles et en regardant un ballon de baseball tout à fait différent .

Ces comportements «impossibles» rendent les entités quantiques idéales pour réaliser l’impossible avec, par exemple, les ordinateurs. Dans les ordinateurs normaux, un bit d’information stocké est soit un zéro, soit un, mais dans un ordinateur quantique, un bit stocké, appelé Qubit (bit quantique), vaut à la fois zéro et un. Ainsi, lorsqu’un simple magasin de mémoire de 8 bits peut contenir un nombre individuel compris entre 0 et 255 (2 ^ 8 = 256), une mémoire de 8 Qubits peut stocker 2 ^ 8 = 256 numéros distincts en une fois! La capacité de stocker de manière exponentielle plus d’informations est la raison pour laquelle les ordinateurs quantiques promettent un bond en avant de la puissance de traitement.

Dans l’exemple ci-dessus, une mémoire de 8 bits dans un ordinateur quantique stocke simultanément 256 nombres entre 0 et 255, tandis qu’une mémoire de 8 bits dans un ordinateur ordinaire ne stocke qu’un seul nombre entre 0 et 255 à la fois. Imaginez maintenant une mémoire quantique 24 bits (2 ^ 24 = 16 777 216) avec seulement 3 fois plus de Qubits que notre première mémoire: elle pourrait stocker jusqu’à 16 777 216 numéros différents à la fois!

Ce qui nous amène à l’intersection de la science quantique et de la neurobiologie. Le cerveau humain est un processeur bien plus puissant que n’importe quel ordinateur disponible aujourd’hui: parvient-il à exploiter cet incroyable pouvoir en exploitant l’étrangeté quantique de la même manière que les ordinateurs quantiques?

Jusqu’à tout récemment, la réponse des physiciens à cette question a été un «non» retentissant.

Les phénomènes quantiques, tels que les superpositions, consistent à isoler ces phénomènes du milieu ambiant, en particulier de la chaleur dans l’environnement qui met les particules en mouvement, bouleversant le rideau quantique hyper délicat de cartes de superposition et forçant une particule particulière à occuper le point A ou le point B , mais jamais les deux en même temps.

Ainsi, lorsque les scientifiques étudient des phénomènes quantiques, ils s’efforcent d’isoler le matériau étudié de leur environnement environnant, généralement en abaissant la température de leurs expériences jusqu’à zéro presque.

La physiologie des plantes montre de plus en plus que certains processus biologiques reposant sur la superposition quantique se déroulent à des températures normales, ce qui laisse penser qu’un monde incroyablement étrange de la mécanique quantique pourrait bien s’immiscer dans le fonctionnement quotidien d’autres systèmes biologiques, tels que notre système. systèmes nerveux.

Par exemple, en mai 2018, une équipe de chercheurs de l’Université de Groningue, composée du physicien Thomas La Cour Jansen, a montré que les plantes et certaines bactéries photosynthétiques atteignaient une efficacité de presque 100% en convertissant la lumière solaire en énergie utilisable en exploitant le fait que l’absorption de Les molécules de capture de lumière doivent exister simultanément dans des états quantiques excités et non excités répartis sur des distances relativement longues à l’intérieur de la plante, permettant aux électrons excités par la lumière de trouver le chemin le plus efficace entre les molécules où la lumière est capturée et différentes molécules où l’énergie utilisable est utilisée pour la plante est créée.

L’évolution, dans sa quête incessante d’ingénierie des formes de vie les plus éconergétiques, semble avoir ignoré la conviction des physiciens que des effets quantiques utiles ne peuvent pas se produire dans les environnements chauds et humides de la biologie.

La découverte des effets quantiques en biologie végétale a donné naissance à un tout nouveau domaine scientifique appelé biologie quantique. Au cours des dernières années, les biologistes quantiques ont mis au jour des preuves de propriétés de la mécanique quantique dans la perception du champ magnétique dans les yeux de certains oiseaux (leur permettant de naviguer lors de la migration) et dans l’activation des récepteurs d’odeurs chez l’homme. Les chercheurs de Vision ont également découvert que les photorécepteurs de la rétine humaine sont capables de générer des signaux électriques à partir de la capture d’un seul quanta d’énergie lumineuse.

L’évolution a-t-elle également rendu notre cerveau hyper-efficace pour générer de l’énergie utilisable ou pour transmettre et stocker des informations entre neurones utilisant des effets quantiques tels que la superposition et l’enchevêtrement?

Les neuroscientifiques sont au tout début de l’étude de cette possibilité, mais je suis enthousiasmé par le champ naissant de la neuroscience quantique, car il pourrait conduire à des percées stupéfiantes dans notre compréhension du cerveau.

Je dis cela parce que l’histoire de la science nous enseigne que les plus grandes avancées proviennent presque toujours d’idées qui, avant qu’une avancée particulière se produise, paraissent incroyablement étranges. La découverte d’Einstein que l’espace et le temps sont vraiment la même chose (relativité générale) en est un exemple, la découverte de Darwin selon laquelle l’homme a évolué à partir de formes de vie plus primitives en est un autre. Et bien sûr, la découverte de la mécanique quantique par Planck, Einstein et Bohr en est une autre.

Tout cela implique fortement que les idées qui sous-tendent les avancées des neurosciences qui changeront les règles du jeu de demain sembleront aujourd’hui, pour la plupart des gens, extrêmement peu orthodoxes et improbables.

Maintenant, ce n’est pas parce que la biologie quantique dans le cerveau a un son étrange et improbable que cela est automatiquement considéré comme la source du prochain bond en avant en neuroscience. Mais je suis persuadé qu’une compréhension plus approfondie des effets quantiques dans les systèmes vivants apportera de nouvelles informations importantes sur nos cerveaux et nos systèmes nerveux, si pour aucune autre raison, l’adoption d’un point de vue quantique inciterait les neuroscientifiques à rechercher des réponses étranges et pertinentes. endroits merveilleux où ils n’ont jamais envisagé d’enquêter auparavant.

Et lorsque les enquêteurs examinent ces phénomènes étranges et merveilleux, ceux-ci pourraient, tout comme leurs cousins ​​enchevêtrement en physique des particules, les regarder en arrière!

Références

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3768233/

https://phys.org/news/2016-02-evidence-vibration-theory.html

http://jgp.rupress.org/content/150/3/383

https://phys.org/news/2018-05-quantum-effects-photosynthesis.html

https://www.quantamagazine.org/a-new-spin-on-the-quantum-brain-20161102/

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_biology

Qu’est-ce que la biologie quantique?