Les avantages des effets quantiques pour les réseaux biologique, social et technologique

Encore récemment, on pensait que le comportement étrange des organismes, révélé par la physique quantique, se manifestait principalement au niveau submicroscopique. Toutefois, depuis quelques années, on s’interroge sur le rôle du comportement quantique dans les processus biologiques macroscopiques plus quotidiens. Le projet PAPETS, financé par l’UE, travaillant auparavant sur de tels phénomènes biologiques, et notamment sur la photosynthèse et l’olfaction, a contribué à ces récentes conclusions.

Deux effets quantiques peuvent expliquer les processus biologiques qui ont quelque peu intrigué les chercheurs, à savoir: la capacité de se retrouver dans plusieurs endroits à un moment donné (superposition), ainsi que la possibilité de disparaître instantanément et de réapparaître à un endroit complètement différent.

Le lacis de la quantique

Les chercheurs, en s’appuyant sur les travaux réalisés dans le cadre du projet PAPETS, expliquent dans la revue «Physical Review Letters», comment ils ont récemment réussi à utiliser la temporalité dans les calculs quantiques effectués sur des réseaux dynamiques aléatoires. Pour tester les limites des calculs quantiques, l’équipe a étudié un algorithme de recherche spatiale, en utilisant l’information quantique afin de trouver un nœud marqué dans un réseau temporel aléatoire.

Les auteurs soulignent qu’il a été déjà démontré que les calculs quantiques offraient un avantage de vitesse dans les activités de recherche au sein des réseaux, au-delà d’un certain seuil de connectivité nodale. Toutefois, ils ont également découvert qu’en dessous de ce seuil de connexions, l’avantage quantique n’était plus pris en compte.

Dans leur étude, les chercheurs ont continuellement randomisé la disposition courante du réseau et ont changé le nombre de connexions, en maintenant un nombre constant de nœuds. Ils ont découvert que, indépendamment du degré de connectivité, l’algorithme de recherche quantique trouvait toujours ce qu’ils appellent «une fréquence» pour générer de nouvelles dispositions du réseau, afin de trouver le nœud marqué. Étonnamment, l’équipe a découvert que, même s’ils imposaient un biais entraînant une très basse connectivité des nœuds, avec de nombreux nœuds isolés du reste du réseau, l’algorithme créait de nouvelles dispositions du réseau pour compenser, à un rythme plus soutenu.

Les chercheurs ne s’attendaient pas à obtenir des résultats contraires à leur prévision selon laquelle, lors de la recherche d’un nœud marqué dans le réseau, qu’il soit social, naturel ou technologique, l’algorithme de recherche quantique aurait des difficultés avec la nature changeante du réseau (en perdant et en gagnant progressivement des connexions). En fait, ils démontrent que cette caractéristique temporelle peut être utilisée comme une commande pour l’exécution des calculs. Alors que l’équipe de recherche prévoit que leur travail servira les technologies de l’information quantique dans la communication et les calculs, 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 achevé. Il a été mis en place pour étudier le rôle clé des dynamiques électroniques et vibratoires, et particulièrement les mécanismes assistés par phonons, dans la structure et la fonction des systèmes biomoléculaires. Le projet a étudié le rôle que pourraient avoir les effets quantiques dans l’efficacité de la photosynthèse des plantes, en permettant à l’énergie de transporter les excitons afin d’explorer simultanément les différentes voies dans la feuille et trouver le chemin le plus efficace pour atteindre les molécules énergétiques cibles. Ces résultats contribuent aux efforts fournis pour concevoir de meilleures cellules solaires.

En outre, cette étude s’est penchée sur la manière dont les effets quantiques pourraient aider l’olfaction à reconnaître les odeurs des molécules, à travers un processus connu sous le nom d’«effet tunnel» qui permet à la molécule odorante de rejoindre un récepteur. Ces connaissances ouvrent des perspectives de développement de technologies dans le domaine de l’olfaction qui pourraient par exemple détecter des dangers dans les aliments et l’eau.

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