Efficacité des processus biomoléculaires de la nature, comme la photosynthèse, n'est pas entièrement expliqué par la théorie conventionnelle. Le projet PAPETS financé par l'UE a exploré les effets quantiques pour mieux comprendre ces processus, menant récemment à de plus amples informations sur les possibilités du calcul quantique.

Jusqu'à relativement récemment, on pensait que le comportement étrange des entités rapporté de la physique quantique, se manifestait principalement au niveau submicroscopique. Cependant, au cours des dernières années, des questions ont été posées sur le rôle du comportement quantique dans le quotidien, processus biologiques macroscopiques. Les travaux antérieurs du projet PAPETS financé par l'UE sur ce phénomène biologique, principalement dans la photosynthèse et l'olfaction, a alimenté ces récentes découvertes.

Deux effets quantiques pourraient expliquer des processus biologiques qui ont quelque peu intrigué les chercheurs, à savoir :la capacité d'exister à plusieurs endroits à la fois (superposition), en plus de pouvoir disparaître instantanément, puis réapparaître dans un endroit entièrement différent.

Le labyrinthe quantique

Des chercheurs s'appuyant sur les travaux menés dans le cadre du projet PAPETS, expliquer dans le journal Lettres d'examen physique comment ils ont récemment réussi à exploiter la temporalité pour des tâches de calcul quantique effectuées sur des réseaux aléatoires dynamiques. Afin de tester les limites du calcul quantique, l'équipe a étudié un algorithme de recherche spatiale utilisant l'information quantique, pour trouver un nœud marqué sur un réseau temporel aléatoire.

Les auteurs soulignent qu'il avait déjà été démontré que le calcul quantique offrirait un avantage de vitesse dans les tâches de recherche au sein des réseaux au-dessus d'un certain seuil de connectivité nodale. Cependant, ils ont également constaté qu'en dessous de ce seuil de connexions, l'avantage quantique ne tenait plus.

Dans l'étude, les chercheurs ont continuellement randomisé l'arrangement réel du réseau, avec le nombre de connexions changeant également, tout en gardant le nombre de nœuds constant. Ils ont constaté que quel que soit le degré de connectivité, l'algorithme de recherche quantique toujours trouvé, ce qu'ils appellent, « une fréquence » pour générer de nouvelles dispositions de réseau, pour trouver le nœud marqué. De façon intéressante, l'équipe a découvert que même lorsqu'ils imposaient un biais entraînant une très faible connectivité des nœuds, avec de nombreux nœuds isolés du reste du réseau, l'algorithme a créé de nouveaux arrangements de réseaux à un rythme plus rapide pour compenser.

Les résultats des chercheurs étaient contraires à l'attente qu'en essayant de trouver un nœud marqué dans un réseau, qu'il soit social, naturel ou technologique, l'algorithme de recherche quantique aurait du mal avec la nature en constante évolution du réseau (perdre et gagner des liens au fil du temps). En réalité, ils démontrent que cette caractéristique temporelle peut être utilisée comme un contrôle pour la performance du calcul. Alors que l'équipe s'attend à ce que leur travail profite aux technologies de l'information quantique, pour la communication et le calcul, il contribue également à la compréhension des processus biologiques.

Quand les effets quantiques rencontrent la biologie

Le projet PAPETS (Phonon-Assisted Processes for Energy Transfer and Sensing) est désormais terminé. Il a été mis en place pour explorer comment la dynamique électronique et vibrationnelle, mécanismes spécifiquement assistés par phonons, joue un rôle clé dans la structure et la fonction des systèmes biomoléculaires. Le projet a examiné le rôle que les effets quantiques pourraient jouer pour rendre la photosynthèse des plantes aussi efficace qu'elle l'est, en permettant aux excitons porteurs d'énergie d'explorer simultanément différents chemins dans la feuille, trouver la route la plus efficace vers les molécules de carburant cibles. Les résultats contribuent aux efforts visant à concevoir de meilleures cellules solaires.

En outre, l'étude a examiné la façon dont les effets quantiques pourraient aider la capacité olfactive à reconnaître les odeurs des molécules, par un processus connu sous le nom de « tunnel quantique », qui aide une molécule olfactive à s'unir à un récepteur. Cette compréhension ouvre la perspective de développer des technologies de détection des odeurs qui pourraient, par exemple, détecter les dangers dans les aliments ou l'eau.