Il y a près de 75 ans, Le physicien Erwin Schrödinger, lauréat du prix Nobel, s'est demandé si le monde mystérieux de la mécanique quantique jouait un rôle en biologie. Une découverte récente de Prem Kumar de la Northwestern University ajoute une preuve supplémentaire que la réponse pourrait être oui.

Kumar et son équipe ont, pour la première fois, créé un enchevêtrement quantique à partir d'un système biologique. Cette découverte pourrait faire progresser la compréhension fondamentale des scientifiques de la biologie et potentiellement ouvrir des portes pour exploiter des outils biologiques afin de permettre de nouvelles fonctions en exploitant la mécanique quantique.

« Pouvons-nous appliquer des outils quantiques pour en savoir plus sur la biologie ? » dit Kumar, professeur de génie électrique et d'informatique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et de physique et d'astronomie au Weinberg College of Arts and Sciences. "Les gens ont posé cette question pour beaucoup, de nombreuses années, remontant à l'aube de la mécanique quantique. La raison pour laquelle nous nous intéressons à ces nouveaux états quantiques est qu'ils permettent des applications qui seraient autrement impossibles."

Partiellement soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency, la recherche a été publiée le 5 décembre dans Communication Nature .

L'intrication quantique est l'un des phénomènes les plus mystifiants de la mécanique quantique. Lorsque deux particules, telles que des atomes, photons, ou des électrons - sont intriqués, ils font l'expérience d'un lien inexplicable qui est maintenu même si les particules sont de part et d'autre de l'univers. Tandis qu'enchevêtré, le comportement des particules est lié les uns aux autres. Si une particule tourne dans une direction, par exemple, puis l'autre particule change instantanément de spin d'une manière correspondante dictée par l'intrication. Des chercheurs, dont Kumar, se sont intéressés à l'exploitation de l'intrication quantique pour plusieurs applications, y compris les communications quantiques. Parce que les particules peuvent communiquer sans fils ni câbles, ils pourraient être utilisés pour envoyer des messages sécurisés ou aider à construire un "Internet quantique" extrêmement rapide.

"Les chercheurs ont essayé d'enchevêtrer un ensemble de plus en plus grand d'atomes ou de photons pour développer des substrats sur lesquels concevoir et construire une machine quantique, " a déclaré Kumar. "Mon laboratoire demande si nous pouvons construire ces machines sur un substrat biologique."

Dans l'étude, L'équipe de Kumar a utilisé des protéines fluorescentes vertes, qui sont responsables de la bioluminescence et couramment utilisés dans la recherche biomédicale. L'équipe a tenté d'entremêler les photons générés par les molécules fluorescentes dans la structure protéique en forme de tonneau de l'algue en les exposant à un mélange spontané à quatre ondes, un processus dans lequel plusieurs longueurs d'onde interagissent les unes avec les autres pour produire de nouvelles longueurs d'onde.

Grâce à une série de ces expériences, Kumar et son équipe ont démontré avec succès un type d'enchevêtrement, appelé intrication de polarisation, entre les paires de photons. La même fonctionnalité utilisée pour fabriquer des lunettes pour regarder des films 3D, la polarisation est l'orientation des oscillations des ondes lumineuses. Une onde peut osciller verticalement, horizontalement, ou sous des angles différents. Dans les paires enchevêtrées de Kumar, les polarisations des photons sont intriquées, ce qui signifie que les directions d'oscillation des ondes lumineuses sont liées. Kumar a également remarqué que la structure en forme de tonneau entourant les molécules fluorescentes protégeait l'enchevêtrement d'être perturbé.

"Quand j'ai mesuré la polarisation verticale d'une particule, nous savions que ce serait la même chose dans l'autre, " dit-il. " Si nous mesurions la polarisation horizontale d'une particule, nous pourrions prédire la polarisation horizontale dans l'autre particule. Nous avons créé un état intriqué qui correspondait à toutes les possibilités simultanément."

Maintenant qu'ils ont démontré qu'il est possible de créer un enchevêtrement quantique à partir de particules biologiques, suivant Kumar et son équipe envisagent de fabriquer un substrat biologique de particules intriquées, qui pourrait être utilisé pour construire une machine quantique. Puis, ils chercheront à comprendre si un substrat biologique fonctionne plus efficacement qu'un substrat synthétique.