Pourquoi vous devriez vous soucier de la neuroscience quantique

Au cas où vous ne l'auriez pas entendu, la science quantique est chaude en ce moment, avec des discussions enthousiastes sur des ordinateurs quantiques incroyablement puissants, une communication quantique ultra-efficace et une cybersécurité impénétrable grâce au cryptage quantique.

Pourquoi tout ce 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 de tous les jours, par exemple, nous donne de nouveaux ordinateurs qui doublent de puissance tous les 2-3 ans, alors que la science quantique promet des ordinateurs avec de nombreux 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 réussit, produira un changement sismique dans la technologie qui remodèlera le monde tel que nous le connaissons, de manière encore plus profonde que ne l'ont fait Internet ou les smartphones.

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

Deux exemples où la science quantique rend soudainement possible ce qui était auparavant impossible, sont la superposition quantique et l'intrication quantique.

Commençons par la superposition quantique.

Dans le monde normal, un objet tel qu'une balle de baseball ne peut se trouver qu'à un seul endroit à la fois. Mais dans le monde quantique, une particule comme un électron peut occuper un nombre infini de places en même temps, existant dans ce que les physiciens appellent une superposition d'états multiples. Donc, dans le monde quantique, une chose se comporte parfois comme beaucoup de choses différentes.

Examinons maintenant l'intrication quantique en étendant un peu plus l'analogie avec le baseball. Dans le monde normal, deux balles de baseball assises dans des casiers sombres dans les stades des ligues majeures de Los Angeles et de Boston sont totalement indépendantes l'une de l'autre, de sorte que si vous ouvriez l'un des casiers de stockage pour regarder une balle de baseball, absolument rien n'arriverait à l'autre balle de baseball. dans un casier de stockage sombre à 3 000 miles de distance. Mais dans le monde quantique, deux particules individuelles, comme les photons pouvez être enchevêtré, de sorte que le simple fait de détecter un photon avec un détecteur force instantanément l'autre photon, quelle que soit sa distance, à assumer 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 entre les entités distinctes.

Ce serait l'équivalent de changer l'état d'une balle de baseball - disons, de la forcer à être sur l'étagère supérieure ou inférieure d'un casier de stockage - simplement en ouvrant un casier de stockage à 3 000 miles de distance et en regardant un tout différent base-ball.

Ces comportements «impossibles» rendent les entités quantiques idéales pour faire l'impossible avec, par exemple, les ordinateurs. Dans les ordinateurs normaux, un bit d'information stocké est un zéro ou un un, mais dans un ordinateur quantique, un bit stocké, appelé Qubit (bit quantique), est à la fois zéro et un en même temps. Ainsi, là où une simple mémoire de 8 bits peut contenir n'importe quel nombre individuel de 0 à 255 (2 ^ 8 = 256) une mémoire de 8 Qubits peut stocker 2 ^ 8 = 256 numéros séparés tout à la fois! La capacité de stocker exponentiellement plus d'informations est la raison pour laquelle les ordinateurs quantiques promettent un bond en avant dans la puissance de traitement.

Dans l'exemple ci-dessus, une mémoire 8 bits dans un ordinateur quantique stocke 256 nombres entre 0 et 255 en même temps tandis qu'une mémoire 8 bits dans un ordinateur ordinaire ne stocke qu'un seul nombre entre 0 et 255 à la fois. Imaginez maintenant une mémoire quantique de 24 bits (2 ^ 24 = 16,777,216) avec seulement 3 fois plus de Qubits que notre première mémoire: elle pourrait stocker un énorme 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 beaucoup plus puissant que n'importe quel ordinateur disponible aujourd'hui: obtient-il une partie de cette puissance impressionnante en exploitant l'étrangeté quantique de la même manière que les ordinateurs quantiques?

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

Les phénomènes quantiques tels que la superposition reposent sur l'isolement de ces phénomènes de l'environnement environnant, en particulier de la chaleur dans l'environnement qui met les particules en mouvement, bouleversant le château de cartes quantique hyper-délicat de superposition et obligeant une particule particulière à occuper le point A ou le point B. , mais jamais les deux à la fois.

Ainsi, lorsque les scientifiques étudient des phénomènes quantiques, ils se donnent beaucoup de mal pour isoler le matériau qu'ils étudient de l'environnement environnant, généralement en abaissant la température de leurs expériences à un zéro presque absolu.

Mais le monde de la physiologie végétale montre de plus en plus de preuves que certains processus biologiques qui reposent sur la superposition quantique se produisent à des températures normales, ce qui soulève la possibilité qu'un monde incroyablement étrange de la mécanique quantique puisse effectivement s'introduire dans le fonctionnement quotidien d'autres systèmes biologiques, tels que notre systèmes nerveux.

Par exemple, en mai 2018, une équipe de recherche de l'Université de Groningen qui comprenait le physicien Thomas la Cour Jansen a trouvé des preuves que les plantes et certaines bactéries photosynthétiques atteignent une efficacité de près de 100% en convertissant la lumière du soleil en énergie utilisable en exploitant le fait que l'absorption d'énergie solaire provoque certains électrons dans que les molécules de capture de lumière existent 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 car la plante est créée.

L'évolution, dans sa quête incessante pour concevoir les formes de vie les plus économes en énergie, semble avoir ignoré la croyance des physiciens selon laquelle 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 (permettant aux oiseaux de naviguer pendant la migration), et dans l'activation des récepteurs olfactifs chez l'homme. Les chercheurs en 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 nos cerveaux hyper-efficaces pour générer de l'énergie utilisable ou pour transmettre et stocker des informations entre les neurones en utilisant des effets quantiques tels que la superposition et l'intrication?

Les neuroscientifiques n'en sont qu'au tout début d'étudier cette possibilité, mais pour ma part, je suis enthousiasmé par le domaine naissant de la neuroscience quantique, car il pourrait conduire à des percées époustouflantes dans notre compréhension du cerveau.

Je dis cela parce que l'histoire de la science nous enseigne que les plus grandes percées viennent presque toujours d'idées qui, avant qu'une percée particulière ne se produise, semblent incroyablement bizarres. La découverte d'Einstein selon laquelle l'espace et le temps sont vraiment la même chose (relativité générale) en est un exemple, la découverte de Darwin selon laquelle les humains ont 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 progrès de demain dans le domaine des neurosciences, semblent aujourd'hui à la plupart des gens très peu orthodoxes et improbables.

Maintenant, ce n'est pas parce que la biologie quantique dans le cerveau semble étrange et improbable qu'elle est automatiquement la source du prochain bond en avant dans les neurosciences. Mais j'ai le sentiment qu'une compréhension plus approfondie des effets quantiques dans les systèmes vivants apportera de nouvelles informations importantes sur notre cerveau et notre système nerveux, si ce n'est pour une autre raison, que l'adoption d'un point de vue quantique amènera les neuroscientifiques à rechercher des réponses de manière étrange et étrange. des endroits merveilleux qu'ils n'avaient jamais envisagé d'investiguer auparavant.

Et lorsque les enquêteurs se penchent sur ces phénomènes étranges et merveilleux, ces phénomènes pourraient, comme leurs cousins ​​enchevêtrements en physique des particules, les regarder en arrière!