Les ordinateurs quantiques utilisent des processeurs quantiques qui utilisent des particules élémentaires telles que des neutrons, des électrons et/ou des atomes au lieu de circuits intégrés et de transistors comme les processeurs conventionnels. Deux des propriétés les plus « folles et magiques » de ces particules sont :
- Premièrement, ils sont en quelque sorte constamment "attachés" à d'autres particules qui s'y emmêlent après une certaine interaction. Par exemple, lorsque le spin d'une particule est mesuré dans l'état "haut", l'autre particule, même si elle était très éloignée, serait immédiatement (c'est-à-dire plus rapide que la vitesse de la lumière) dans l'état opposé "bas". De grandes collections de particules complexes (si elles sont présentes dans le cerveau) pourraient donc se comporter de manière "orchestrée" ou coordonnée sur de longues distances.
- Deuxièmement, il y a dans une superposition des états avant toute mesure. Par exemple, un électron peut être à deux niveaux d'énergie différents ou tourner simultanément vers le haut et vers le bas. Lorsqu'il est mesuré, cependant, il sera à un certain niveau d'énergie ou dans une certaine direction de rotation - nous disons qu'il s'est "effondré" dans un certain état. Lors de l'utilisation de processeurs classiques, nous attribuons un "1" ou un "0" spécifique à un bit. Dans un processeur quantique, nous pourrions attribuer "1" à l'état de spin down et "0" à l'état de spin up, disons, d'un électron. Cependant, jusqu'à ce que nous mesurions la situation, ce sera "1" et "0" en même temps - tout comme une pièce qui tourne n'est ni une "couronne" ni des "lettres" lorsqu'elle tourne. Par conséquent, un bit quantique ou "qubit" peut représenter "1" ET "0" en même temps, par opposition au "bit" d'un processeur standard qui ne peut représenter que "1" Ή "0" à un instant donné. . Le bit est binaire et ponctuel, mais le qubit est "spatial" et "flou" - cela permet de traiter beaucoup plus d'informations en parallèle, en profitant de la propriété de superposition. Un "bit" représente soit un 1 soit un 0 à un moment donné, tandis qu'un "qubit" peut représenter les deux en même temps.1
Diverses propriétés physiques des particules élémentaires peuvent être attribuées à "1" et "0". Par exemple, nous pouvons utiliser les états de spin-up ou spin-down du noyau d'un atome, les différents niveaux d'énergie des électrons dans un atome, ou encore l'orientation du niveau de polarisation des particules lumineuses ou des photons.
Ordinateurs quantiques utilisant des atomes de phosphore
En 2013, une équipe de recherche dirigée par des ingénieurs australiens de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) a créé le premier bit quantique fonctionnel basé sur le spin du noyau de phosphore à un seul atome à l'intérieur d'un lit d'atomes de silicium non magnétique à spin zéro. Dans une publication révolutionnaire dans la revue Nature, ils ont rapporté une précision record dans l'enregistrement et la lecture d'informations quantiques à l'aide du spin nucléaire. 2
Comme le noyau d'un atome de phosphore a un champ magnétique très faible et a le plus petit nombre de spins που (ce qui signifie qu'il est moins sensible aux champs électriques et magnétiques), il est presque invulnérable au bruit magnétique ou aux interférences électriques de l'environnement. Il est en outre "protégé" par le bruit du lit environnant d'atomes de silicium à spin nul. En conséquence, le spin nucléaire a un temps de cohérence plus long qui permet de stocker des informations dessus pendant une plus longue période de temps, ce qui conduit à un niveau de précision beaucoup plus élevé.
"Le noyau de l'atome de phosphore contient un spin nucléaire, qui pourrait agir comme un excellent qubit de stockage de mémoire grâce à sa très faible sensibilité au bruit ambiant."
Andrew Zurak, se référant au travail de l'équipe de l'UNSW, 3
En 2014, une autre équipe (cette fois en collaboration entre les Pays-Bas et les États-Unis) a utilisé des spins nucléaires d'atomes de phosphore dans l'informatique quantique pour obtenir une précision encore plus grande de 99,99% et un temps de cohérence plus long de plus de 35 secondes. 4.5
Des ordinateurs quantiques dans nos têtes ?
Alors qu'est-ce que tout cela a à voir avec notre cerveau? Il existe de nombreux exemples en biologie quantique où le traitement quantique est suspect - par exemple, il est prouvé que les oiseaux utilisent des processus quantiques dans leurs rétines pour naviguer dans le monde et que la photosynthèse évolue plus efficacement avec une cohérence à long terme. Il a également été observé que l'odorat humain et certains aspects de la vision humaine nécessiteraient un traitement quantique pour se produire. Il n'est donc pas surprenant que nous recherchions le traitement quantique dans le cerveau humain.
L'une des premières hypothèses populaires a été proposée par Roger Penrose, un éminent physicien, et Stuart Hammeroff, un anesthésiste. Ils ont émis l'hypothèse que le traitement quantique pourrait avoir lieu dans les microtubules des neurones.6 Cependant, la plupart des scientifiques étaient sceptiques, car le cerveau était considéré comme un environnement chaud, humide et bruyant, où la cohérence quantique, qui a généralement lieu dans des environnements extrêmement isolés. températures froides, il serait impossible à réaliser. Ni Penrose ni Hammeroff n'ont répondu de manière satisfaisante à cette critique de leur théorie. Cependant, il y a eu des découvertes récentes sur l'allongement des temps de cohésion, et des équipes de recherche du monde entier se précipitent pour étendre les temps de cohésion à température ambiante avec un certain succès.7,8 Ainsi, les jurés n'ont pas encore statué sur la théorie de Penrose-Hammeroff.
Les idées pionnières de Fisher
Plus récemment, en 2015, Matthew Fisher, physicien à l'Université de Californie à Berkeley, a développé un modèle dans lequel les spins nucléaires des atomes de phosphore peuvent servir de qubits. Ce modèle est très similaire à ce qui a été discuté dans la section précédente, car il a été développé dans un environnement de laboratoire - la différence est que cette fois, il a été appliqué au cerveau humain, où le phosphore est abondant9.
"Pourrions-nous être nous-mêmes des ordinateurs quantiques et pas seulement des robots intelligents concevant et construisant des ordinateurs quantiques ?"
Matthieu Fisher, 10 ans
Fisher a fait valoir de manière assez convaincante que les spins des noyaux d'atomes de phosphore peuvent être suffisamment isolés (du nuage d'électrons qui l'entoure et du bouclier protecteur d'un lit d'atomes à spin nul) et aussi être moins distraits par le bruit quantique dû à un champ magnétique faible ( en raison de son faible nombre de spin), lui permettant ainsi de maintenir une cohérence quantique. (Les études de laboratoire discutées dans la section précédente et les résultats expérimentaux ont vérifié et confirmé ce fait). Ainsi, dans un environnement tel que le cerveau, où abondent les champs électriques, les noyaux d'atomes de phosphore seraient dans un environnement suffisamment isolé.
Le processus commence dans la cellule avec un produit chimique appelé pyrophosphate. Il se compose de deux phosphates liés ensemble - chacun constitué d'un atome de phosphore entouré de plusieurs atomes d'oxygène à spin nul (une situation similaire à celle de l'étude en laboratoire discutée ci-dessus, où l'atome de phosphore était imbriqué dans des atomes de silicium avec zéro σπιν). L'interaction entre les spins des phosphates les rend compliqués. L'une des configurations résultantes se traduit par un spin nul ou un état « unique » d'interférence maximale. Les enzymes décomposent ensuite les phosphates enchevêtrés en deux ions phosphate libres, qui continuent d'être enchevêtrés à mesure qu'ils sont éliminés. Ces phosphates complexes sont ensuite combinés séparément avec des ions calcium et des atomes d'oxygène pour former des molécules de Posner, comme indiqué ci-dessous.
Ces grappes fournissent un "blindage" supplémentaire aux paires complexes contre les interférences externes, de sorte qu'elles peuvent maintenir la cohérence sur des distances beaucoup plus longues sur de longues distances dans le cerveau. Lorsque Fisher a calculé le temps de cohérence pour ces molécules, la somme incroyable de 105 secondes en a résulté - une journée entière.12
Et ensuite ?
Bien que Fischer ne semble pas préciser en détail ce qui va se passer ensuite - ce qui est important si nous voulons avoir une vue d'ensemble - l'auteur essaiera de le faire. De nombreux noyaux complexes d'atomes de phosphore (au sein des molécules de Posner) seront dispersés sur une grande surface du cerveau. Ils seraient dans un état surnaturel, existant sous forme de vagues, pendant un certain temps avant de s'effondrer. Lorsque l'effondrement se produit, les électrons de l'atome répondent. Les électrons déterminent les propriétés chimiques des atomes. Ainsi, l'effondrement provoque une modification des propriétés chimiques des atomes de phosphore, entraînant une cascade de réactions chimiques qui envoient une cascade de neurotransmetteurs aux synapses des neurones. La séquence de signaux électrochimiques est ensuite incorporée pour former une perception, qui est interprétée en fonction des expériences de vie de l'individu.
Cela résout une question neuroscientifique de longue date qui occupait les scientifiques : comment le cerveau est-il capable d'intégrer des informations provenant de différentes parties du cerveau pour former une perception cohérente ? Peut-être qu'avec le "mécanisme de Fisher" (un terme nouvellement inventé par l'auteur), un effondrement simultané des spins nucléaires des atomes de phosphore enchevêtrés dans diverses couches et parties du cerveau pourrait être la réponse.
Restrictions
La limitation la plus évidente est que les idées de Fischer n'ont pas encore été testées de manière approfondie, bien que certains aspects (par exemple, le temps de cohésion plus long des atomes de phosphore) aient déjà été testés en laboratoire. Cependant, il est prévu de le faire. Le premier test sera de savoir s'il y a des molécules de Posner dans les fluides extracellulaires et si elles pourraient être compliquées. Fisher propose de tester cela en laboratoire en provoquant des réactions chimiques pour compliquer le spin nucléaire du phosphore, puis en versant la solution dans deux éprouvettes et en recherchant des corrélations quantiques dans la lumière émise12.
Roger Penrose pense que le mécanisme de Fisher ne peut qu'aider à expliquer la mémoire à long terme, mais peut ne pas être suffisant pour expliquer la conscience.12 Il pense que la formulation de Penrose-Hammeroff pour les microtubules, qui, selon lui, est plus massive que les noyaux, est une explication plus puissante. pour cela, bien que la plupart des scientifiques soient sceptiques. Il serait intéressant que des molécules de Posner (avec des particules complexes) puissent être trouvées dans ces microtubules - alors l'hypothèse de Fisher et l'hypothèse de Penrose-Hammeroff seraient au moins partiellement correctes. (Tout le monde aime une fin heureuse!)
En quelques mots
1. Il a été prouvé en laboratoire que l'informatique quantique avec des atomes de phosphore isolés et protégés conduit à des résultats extrêmement précis et à des temps de cohérence plus longs.
2. Le phosphore est abondant dans le cerveau.
3. Le cerveau humain (et éventuellement le cerveau d'autres animaux) peut utiliser les spins nucléaires des atomes de phosphore comme qubits pour effectuer des calculs quantiques.
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1. Image : (2019, 28 septembre). Qu'est-ce qui rend l'informatique quantique spéciale ? Medium.com.
2. Pla, J., Tan, K., Dehollain, J., Lim, W., Morton, J., Zwanenburg, F., Jamieson, D., Dzurak, A. et Morello, A. (2013) . Lecture et contrôle haute-fidélité d'un qubit de spin nucléaire dans le silicium. Nature, 496 (7445), 334-338.
3. Dzurak, A. (2014, 15 octobre). Les qubits de silicium pourraient être la clé d'une révolution quantique, SciTech Daily.
4. Muhonen, J., Dehollain, J., Laucht, A., Hudson, F., Kalra, R., Sekiguchi, T., Itoh, K., Jamieson, D., McCallum, J., Dzurak, A. ., & Morello, A. (2014). Stockez des informations quantiques pendant 30 secondes sur un dispositif nanoélectronique. Nature Nanotechnology, 9 (12), 986-991.
5. Veldhorst, M., Hwang, J., Yang, C., Leenstra, A., de Ronde, B., Dehollain, J., Muhonen, J., Hudson, F., Itoh, K., Morello, A., & Dzurak, A. (2014). Un qubit de points quantiques adressable avec tolérance aux pannes et fidélité de contrôle. Nature Nanotechnology, 9 (12), 981-985.
6. Hameroff, S., & Penrose, R. (2014). Conscience dans l'univers. Revues de physique de la vie, 11 (1), 39-78.
Herbschleb, E., Kato, H., Maruyama, Y., Danjo, T., Makino, T., Yamasaki, S., Ohki, I., Hayashi, K., Morishita, H., Fujiwara, M., & Mizuochi, N. (2019). Temps de cohérence ultra-longs entre les spins à l'état solide à température ambiante. Nature Communications, 10 (1), 3766.
8. Miao, K., Blanton, J., Anderson, C., Bourassa, A., Crook, A., Wolfowicz, G., Abe, H., Ohshima, T. et Awschalom, D. (2020) . Protection universelle de la cohésion dans un spin qubit à l'état solide. Sciences, eabc5186.
9. Fisher, MPA (2015). Cognition quantique : La capacité de traiter les spins nucléaires dans le cerveau. Annales de physique, 362, 593-602.
10. Fernandes, S. (2018, 27 mars) Sommes-nous des ordinateurs quantiques ? Le Courant (Science + Technologie).
11. Swift, M., Van de Walle, C. et Fisher, M. (2018). Molécules de Posner : de la structure atomique aux spins nucléaires. Chimie Physique Physique Chimique, 20 (18), 12373-12380.
12. Brooks, M. (2015, 15 décembre). La physique quantique est-elle à l'origine de la capacité de réflexion de votre cerveau ? Nouveau scientifique.
