Explorer l'informatique quantique dans le cerveau humain

• Les atomes de phosphore présents dans notre corps possèdent le spin nucléaire nécessaire qui pourrait agir comme des qubits biochimiques.
• Les scientifiques étudient le spin nucléaire et d'autres dynamiques de nano-amas de molécules Posner de forme sphérique, qui pourraient jouer le rôle de qubits neuronaux.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'UC Santa Barbara étudiera le potentiel du cerveau humain pour le calcul quantique. Selon Matthew Fisher, physicien théoricien à l'UCSB, il est possible que nous effectuions un traitement quantique dans notre propre cerveau.

Le concept de l’informatique quantique dans le cerveau humain n’est pas entièrement nouveau. Les scientifiques étudient cette question depuis un moment déjà. Fisher a mis au point quelque chose d'extraordinaire :un ensemble unique de clés biologiques qui pourraient utiliser l'informatique quantique dans notre cerveau.

Jusqu’à présent, vous n’avez entendu parler que de l’informatique quantique basée sur la congélation des atomes et des ions, des défauts des diamants et des jonctions supraconductrices. Cependant, cette étude (Quantum Brain Project) recherchera des données expérimentales qui pourraient répondre à des questions bizarres telles que « sommes-nous des ordinateurs quantiques » ?

Le projet a reçu un total de 1,2 million de dollars sur 3 ans. Cette recherche pourrait nous aider à mieux comprendre le fonctionnement de notre cerveau, ce qui pourrait conduire à de nouvelles procédures de traitement mental.

Que notre cerveau utilise ou non l'informatique quantique, cette étude apportera des avancées significatives dans les domaines de l'intrication quantique par la chimie des solutions, de la catalyse biochimique, des biomatériaux et des troubles de l'humeur humaine.

Informatique quantique

Comme mentionné ci-dessus, l’informatique quantique dépend uniquement du comportement des atomes et des ions, qui peuvent être en superposition. Au lieu de représenter des bits, ces particules représentent des qubits qui peuvent prendre la valeur 1, ou 0, ou les deux simultanément.

À l’instar des bits numériques dans l’informatique traditionnelle, un ensemble de qubits peut créer un réseau pour coder, stocker et transmettre des informations. Dans les ordinateurs quantiques, les qubits sont créés et maintenus à très basse température, dans un environnement hautement isolé et contrôlé.

D'un autre côté, la température du cerveau humain est chaude et ce n'est certainement pas un environnement parfait pour présenter des effets quantiques en raison du mouvement thermique des atomes et des molécules.

Traitement quantique dans le cerveau humain

Selon Fisher, les spins nucléaires (au cœur de l'atome, plutôt que dans les électrons proches) fournissent quelque chose d'inhabituel – quelque chose qui n'a pas été étudié jusqu'à présent.

Les spins nucléaires, bien isolés, peuvent stocker des données quantiques pendant des heures (voire plus). Les atomes de phosphore (1 % des éléments de notre corps) possèdent le spin nucléaire nécessaire qui pourrait agir comme qubits biochimiques. .

Crédit image :Peter Allen / UC Santa Barbara

Actuellement, l’équipe de recherche surveille les propriétés quantiques du phosphore. Plus précisément, ils recherchent l'enchevêtrement entre deux spins nucléaires d'atomes de phosphore lorsqu'ils sont liés l'un à l'autre pour former une molécule.

Source : éditions RSC | est ce que je:10.1039/C7CP07720C | UC Santa Barbara

Pendant ce temps, une équipe de recherche de l’Université de New York étudie le spin nucléaire et d’autres dynamiques des nano-amas de molécules Posner de forme sphérique. Dans ce projet, ils tenteront de déterminer si ces molécules sont suffisamment capables de protéger les spins nucléaires des qubits biochimiques. En outre, ils se concentreront également sur la dissociation et la liaison par paires de molécules Posner, qui permettent le traitement de données quantiques non locales.

Une autre équipe de recherche de l'Université technique de Munich étudiera le rôle des mitochondries dans le couplage et l'intrication quantiques. L'objectif est de découvrir si ces organites à double membrane, responsables de la signalisation cellulaire et du métabolisme, peuvent utiliser leurs réseaux tubulaires pour transférer des molécules Posner entre les neurones.

La fusion et la fission des mitochondries pourraient établir un intrication quantique inter et intracellulaire non locale. Une dissociation ultérieure des molécules de Posner pourrait libérer du calcium, activant la libération de neurotransmetteurs et le déclenchement synaptique, qui ne serait rien d'autre qu'un réseau de neurones à couplage quantique.

Détails techniques

Jusqu’à présent, les chercheurs ont étudié la structure des molécules de Posner et leur empreinte spectroscopique. Ils sont stables sous vide et présentent une symétrie S6. Le spectre vibrationnel calculé peut servir d'empreinte spectroscopique, aidant à la détection expérimentale des molécules Posner.

Les cations d'impuretés pourraient remplacer un calcium central, indiquant à la fois la croissance osseuse et les propriétés de spin du phosphore. L'équipe a démontré que la molécule Posner est un candidat prometteur pour les spins nucléaires protégés (de la décohérence environnementale), avec des implications potentielles dans l'imagerie médicale et le calcul quantique RMN à l'état liquide.

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Ils ont découvert un nombre quantique de pseudospin qui pourrait coder des données quantiques cohérentes dans les molécules de Posner et pourrait fournir une technique permettant d'enchevêtrer les degrés de liberté de rotation (de la molécule de Posner) avec son spin nucléaire. Cette technique est au cœur du rôle de la molécule Posner en tant que qubit biochimique dans le concept du cerveau quantique.