Le cerveau est très certainement l’organe le plus mystérieux du corps humain. Malgré d’importantes avancées en neurosciences au cours des dernières années, de vastes zones cérébrales restent encore à explorer. Loin d’avoir dressé le catalogue de toutes ses fonctionnalités, des scientifiques se questionnent aujourd’hui sur les similitudes entre le cerveau et l’ordinateur quantique.
« Pourrions-nous nous mêmes être des ordinateurs quantiques plutôt que de simples robots intelligents qui créent et développent des ordinateurs quantiques ? », c’est la question que se pose Mattew Fisher, physicien théoricien à l’université de Santa Barbara et directeur scientifique du nouveau Quantum Brain Project (QuBrain). Cette question paraît naturelle tant la ressemblance entre un cerveau et un ordinateur est frappante : les deux utilisent des signaux d’entrée et de sortie pour traiter l’information et prendre des décisions.
Le fonctionnement exact de certaines fonctions cérébrales échappe encore aux neurosciences – le processus de stockage de la mémoire à long terme par exemple. La mécanique quantique, qui décrit les phénomènes physiques à l’échelle atomique et subatomique, pourrait éclaircir certaines de ces zones d’ombres ; de telles réponses pourraient avoir d’importantes implications tant en terme d’informatique quantique que de biologie humaine.
L’idée d’un cerveau fonctionnant comme un ordinateur quantique n’est pas nouvelle. Plusieurs scientifiques ont, en effet, déjà avancé ce genre d’hypothèse mais sans en préciser davantage la substance. Cependant, Fisher, expert de renommée mondiale dans le domaine de la mécanique quantique, a précisément identifié un ensemble de processus biologiques qui prouveraient un traitement quantique de l’information par le cerveau.
Pour ce faire, celui-ci a lancé le projet QuBrain. Composé d’une équipe internationale de physiciens quantiques, de biologistes moléculaires, de biochimistes, de chimistes et de neurobiologistes, le projet à pour but de mettre expérimentalement en évidence le fait que notre cerveau soit en réalité un ordinateur quantique.
« Si la question de savoir si le cerveau est un système quantique obtient une réponse positive, cela pourrait révolutionner notre compréhension de la fonction cérébrale et de la cognition humaine » explique Matt Helgeson, ingénieur chimiste à l’université de Santa Barbara et co-directeur de QuBrain.
Cerveau quantique et qubits biochimiques
À gauche, un bit classique dont la valeur est soit 0 soit 1. À droite, un qubit à la structure multidimensionnelle pouvant prendre simultanément 0 et 1 comme valeurs. Crédits : W.H. Zurek & alL’informatique quantique repose majoritairement sur la notion de « qubits ». En informatique classique, un bit ne peut prendre que deux valeurs : 0 ou 1. Au contraire, dans un ordinateur quantique et grâce au principe de superposition, un qubit peut prendre simultanément les valeurs 0 et 1. Cela permet ainsi de développer des systèmes complexes de traitement de l’information bien plus rapides et efficaces que les ordinateurs d’aujourd’hui.
Dans les ordinateurs quantiques actuellement en développement, les réseaux de qubits sont maintenus en environnement hautement confiné et à basse température. Avec une température d’environ 37 °C, le cerveau n’est donc pas considéré, en règle générale, comme un environnement autorisant la stabilité et l’intégrité d’un assemblage de qubits. Toutefois, Fisher affirme que les spins nucléaires (le spin relatif aux nucléons du noyau et non aux électrons) échappent à cette règle.
« Des spins nucléaires extrêmement bien isolés peuvent stocker – et même traiter – l’information quantique sur des échelles de temps humaines de l’ordre de quelques heures voire plus » explique Fisher. En particulier, les atomes de phosphore, l’un des éléments les plus abondants du corps humain, possèdent le spin nucléaire adéquat pour agir comme des qubits biochimiques. L’une des expériences de QuBrain aura ainsi pour but d’étudier les propriétés quantiques des atomes de phosphore, notamment l’intrication entre deux spins nucléaires de phosphore liés au sein d’une molécule intégrée à un cycle biochimique.
Intrication quantique neuronale
Une molécule de Posner est une nano-structure sphérique composée d’un assemblage de phosphate de calcium. Crédits : Michael W. Swift & alParallèlement, les biochimistes étudieront la dynamique et les spins nucléaires des molécules de Posner (des nano-structures sphériques composées de phosphate de calcium), ainsi que leur capacité potentielle à protéger, contre le phénomène de décohérence quantique, les spins nucléaires des atomes de phosphore stockant l’information quantique. La formation de paires de molécules de Posner pourrait également jouer un rôle dans la non-localité de l’information quantique.
Un autre ensemble d’expériences aura pour objectif d’étudier le potentiel rôle que jouent les mitochondries (les organites responsables de la production d’énergie dans la cellule) dans l’intrication quantique des qubits, ainsi que leur couplage quantique aux neurones.
Cette étude devra déterminer si les mitochondries peuvent transporter les molécules de Posner entre et dans les neurones via leurs réseaux tubulaires. La fusion et la fission mitochondriale pourrait autoriser l’émergence d’une intrication quantique intercellulaire. La dissociation des molécules de Posner déclencherait dès lors la libération de calcium dans le réseau mitochondrial, entraînant la libération de neurotransmetteurs et activant les synapses, résultant en un réseau de neurones intriqués.
« Avec QuBrain, nous explorerons la fonction neuronale via des technologies actuelles mais sous un tout nouvel angle, avec un énorme potentiel de découverte » conclut Tobias Fromme, chercheur à l’Université Technique de Munich. Tandis que selon Helgeson, les recherches du projet QuBrain ont le potentiel d’amener à de véritables avancées dans les domaines des biomatériaux, de la biochimie, de l’intrication quantique dans les solutions chimiques et des troubles humains de l’humeur, même si le cerveau s’avère finalement ne pas être un ordinateur quantique.
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]