On a beaucoup parlé des processus d'informatique quantique utilisant des atomes et des ions ultrafroids, jonctions supraconductrices et défauts dans les diamants, mais pourrions-nous les exécuter dans notre propre cerveau ?

C'est une question que le physicien théoricien de l'UC Santa Barbara, Matthew Fisher, se pose depuis des années. Maintenant, en tant que directeur scientifique du nouveau Quantum Brain Project (QuBrain), il cherche à soumettre cette enquête à des tests expérimentaux rigoureux.

« Pouvons-nous, nous-mêmes, être des ordinateurs quantiques, plutôt que de simples robots intelligents qui conçoivent et construisent des ordinateurs quantiques ?", demande Fisher.

Certaines fonctions du cerveau continuent d'échapper aux neurosciences - le substrat qui "contient" les souvenirs à très long terme et son fonctionnement, par exemple. Mécanique quantique, qui traite du comportement de la nature aux niveaux atomique et subatomique, pourra peut-être débloquer des indices. Et cela pourrait à son tour avoir des implications majeures à plusieurs niveaux, de l'informatique quantique et des sciences des matériaux à la biologie, la santé mentale et même ce que c'est que d'être humain.

L'idée de l'informatique quantique dans notre cerveau n'est pas nouvelle. En réalité, ça fait un moment qu'il fait le tour de certains scientifiques, ainsi que ceux qui ont des tendances moins scientifiques. Mais Fisher, un expert de renommée mondiale dans le domaine de la mécanique quantique, a identifié un ensemble précis et unique de composants biologiques et de mécanismes clés qui pourraient servir de base au traitement quantique dans le cerveau. Avec 1,2 million de dollars de subventions sur trois ans de la Fondation Heising-Simons, Fisher lancera la collaboration QuBrain à l'UCSB. Composé d'une équipe internationale de scientifiques de premier plan couvrant la physique quantique, biologie moléculaire, biochimie, science des colloïdes et neurosciences comportementales, le projet cherchera des preuves expérimentales explicites pour déterminer si nous pourrions en fait être des ordinateurs quantiques.

"Nous sommes extrêmement reconnaissants à la Fondation Heising-Simons pour la vision audacieuse en accordant ce projet à la frontière même de la quantique et des neurosciences, ", a déclaré le chancelier de l'UC Santa Barbara, Henry T. Yang. "Le professeur Matthew Fisher est un physicien quantique exceptionnel, comme en témoigne le prix Oliver E. Buckley qu'il a partagé en 2015 pour ses recherches sur les transitions de phase quantiques. Il sort maintenant de son cadre de recherche théorique traditionnel, rassembler une équipe internationale d'experts pour développer un programme de recherche basé sur des expériences qui déterminera si des processus quantiques existent dans le cerveau. Leurs recherches pourraient apporter un nouvel éclairage sur le fonctionnement du cerveau, ce qui pourrait conduire à de nouveaux protocoles de traitement de la santé mentale. En tant que tel, nous attendons avec impatience les résultats des efforts de recherche collaborative de QuBrain dans les années à venir. »

"Si la question de savoir si des processus quantiques ont lieu dans le cerveau est répondue par l'affirmative, il pourrait révolutionner notre compréhension et notre traitement des fonctions cérébrales et de la cognition humaine, " a déclaré Matt Helgeson, professeur de génie chimique à l'UCSB et directeur associé de QuBrain.

Qubits biochimiques

Les caractéristiques des ordinateurs quantiques résident dans le comportement des systèmes infinitésimaux d'atomes et d'ions, qui peut manifester des "qubits" (par exemple des "spins") qui présentent un enchevêtrement quantique. Plusieurs qubits peuvent former des réseaux qui encodent, stocker et transmettre des informations, analogue aux bits numériques dans un ordinateur conventionnel. Dans les ordinateurs quantiques que nous essayons de construire, ces effets sont générés et maintenus dans des environnements hautement contrôlés et isolés et à basse température. Alors le chaud, le cerveau humide n'est pas considéré comme un environnement propice aux effets quantiques, car ils devraient être facilement « lessivés » par le mouvement thermique des atomes et des molécules.

Cependant, Fisher affirme que les spins nucléaires (au cœur de l'atome, plutôt que les électrons environnants) constituent une exception à la règle.

"Les spins nucléaires extrêmement bien isolés peuvent stocker - et peut-être traiter - des informations quantiques sur des échelles de temps humaines d'heures ou plus, ", a-t-il déclaré. Fisher postule que les atomes de phosphore - l'un des éléments les plus abondants dans le corps - ont le spin nucléaire requis qui pourrait servir de qubit biochimique. L'un des axes expérimentaux de la collaboration sera de surveiller les propriétés quantiques du phosphore. atomes, en particulier l'enchevêtrement entre deux spins nucléaires du phosphore lorsqu'ils sont liés ensemble dans une molécule subissant des processus biochimiques.

Pendant ce temps, Helgeson et Alexej Jerschow, professeur de chimie à l'Université de New York, étudiera la dynamique et le spin nucléaire des molécules de Posner - des nano-clusters de phosphate de calcium de forme sphérique - et si elles ont la capacité de protéger les spins nucléaires des qubits d'atomes de phosphore, qui pourrait favoriser le stockage de l'information quantique. Ils exploreront également le potentiel de traitement de l'information quantique non local qui pourrait être activé par la liaison par paire et la dissociation des molécules de Posner.

Neurones enchevêtrés

Dans une autre série d'expériences, Tobias Fromme, scientifique à l'Université technique de Munich, étudiera la contribution potentielle des mitochondries à l'intrication et leur couplage quantique aux neurones. Il déterminera si ces organites cellulaires, responsables de fonctions telles que le métabolisme et la signalisation cellulaire, peuvent transporter des molécules Posner à l'intérieur et entre les neurones via leurs réseaux tubulaires. La fusion et la fission des mitochondries pourraient permettre l'établissement d'un enchevêtrement quantique intra- et intercellulaire non local. La dissociation ultérieure des molécules de Posner pourrait déclencher la libération de calcium, corrélée à travers le réseau mitochondrial, activer la libération de neurotransmetteurs et le déclenchement synaptique ultérieur à travers ce qui serait essentiellement un réseau de neurones couplés quantiques - un phénomène que Fromme cherchera à imiter in vitro.

La possibilité d'un traitement cognitif du spin nucléaire est venue à Fisher en partie grâce à des études réalisées dans les années 1980 qui ont signalé une remarquable dépendance aux isotopes du lithium vis-à-vis du comportement des rats mères. Bien qu'étant donné le même élément, leur comportement change radicalement en fonction du nombre de neutrons dans les noyaux de lithium. Ce qui pour la plupart des gens serait une différence négligeable était pour un physicien quantique comme Fisher une disparité fondamentalement significative, suggérant l'importance des spins nucléaires. Aaron Ettenberg, Professeur émérite de sciences psychologiques et cérébrales de l'UCSB, mènera des recherches visant à reproduire et à étendre ces expériences sur les isotopes du lithium.

"Même si vous jugez probablement l'hypothèse de Matthew Fisher, en le testant grâce à l'approche de recherche collaborative de QuBrain, nous explorerons la fonction neuronale avec une technologie de pointe sous des angles complètement nouveaux et avec un énorme potentiel de découverte, " dit Fromme. De même, selon Helgeson, les recherches menées par QuBrain ont un potentiel de rupture dans les domaines des biomatériaux, catalyse biochimique, l'intrication quantique dans la chimie des solutions et les troubles de l'humeur chez l'homme, indépendamment du fait que des processus quantiques se déroulent ou non dans le cerveau.