La récolte de lumière quantique fait allusion à une toute nouvelle forme d'informatique

Les physiciens savent depuis longtemps que les plantes et les bactéries convertissent la lumière en énergie chimique d'une manière extrêmement efficace. Mais ce n'est qu'au cours des dernières années qu'ils ont découvert que les machines moléculaires à l'origine de ce processus reposent sur la mécanique quantique pour faire le travail.

C'est une grande surprise en raison des températures impliquées. Les états quantiques sont très fragiles : éternuez et disparaissent dans une bouffée de fumée. Les physiciens peuvent maintenir ces états pendant un certain temps dans des environnements soigneusement contrôlés à basse température, mais personne ne peut expliquer comment cela peut être possible dans les environnements chauds et humides à l'intérieur des êtres vivants.

Aujourd'hui, Gabor Vattay de l'Université Eotvos à Budapest et Stuart Kauffman de l'Université du Vermont à Burlington ont la réponse. Ils disent que les processus derrière la récolte de lumière sont un mélange spécial de quantique et de classique. Et que ce mélange délicat représente une toute nouvelle forme de calcul que la nature pourrait également exploiter dans d'autres systèmes.

Les processus quantiques doivent être étudiés dans les systèmes de collecte de lumière se produisent dans une structure connue sous le nom de complexe Fenna-Matthews-Olson ou FMO, une énorme protéine pigmentaire qui fait partie de la machinerie de collecte de lumière dans les bactéries de soufre vertes. Des centres de réaction sont intégrés à ces structures protéiques qui convertissent l'énergie de la lumière en énergie chimique.

Lorsque la lumière frappe le complexe FMO, l'énergie doit traverser la matrice protéique jusqu'à ce qu'elle atteigne un centre de réaction. Et étonnamment, ce transfert se produit avec une efficacité de près de 100 pour cent.

C'est déroutant car la seule façon pour l'énergie lumineuse de trouver un centre de réaction est de rebondir à travers le réseau de protéines au hasard, comme une boule de billard ricochant. Ce processus prendrait trop de temps, beaucoup plus longtemps que la nanoseconde environ nécessaire à l'énergie lumineuse pour se dissiper dans l'environnement et être perdue.

Le processus de transfert d'énergie ne peut donc pas se produire de manière classique de cette manière. Au lieu de cela, les physiciens ont rassemblé une variété de preuves montrant que le transfert d'énergie est un processus quantique.

La pensée va comme ça. Parce que l'énergie peut exister dans une superposition d'états, elle peut parcourir une variété d'itinéraires autour du réseau en même temps. Et lorsqu'elle trouve la bonne destination, la superposition s'effondre, laissant l'énergie au centre de la réaction. Le résultat est un transfert d'énergie presque parfait.

Mais Vattay et Kauffman disent que ce genre de processus quantique pur ne peut pas non plus être responsable. C'est parce qu'un certain nombre de processus quantiques ralentissent le mouvement des objets quantiques à travers des réseaux aléatoires comme celui-ci. La mécanique quantique a aussi des effets néfastes, disent-ils.

L'un de ces fêtards est connu sous le nom de localisation d'Anderson, un phénomène qui empêche la propagation d'états quantiques dans des médias aléatoires. Parce que l'état quantique agit comme une onde, il est vulnérable aux effets d'interférence, qui l'empêchent de se propager dans un réseau aléatoire.

Un autre est l'effet zénon quantique, le phénomène paradoxal dans lequel un état instable ne change jamais s'il est observé en permanence. C'est parce que regarder implique une série de mesures qui poussent constamment l'état, l'empêchant de s'effondrer. C'est la version quantique de l'effet watched-pot-never-boils.

Une chose similaire se produit avec l'état quantique de l'énergie pendant la récolte de lumière. Cet état quantique va inévitablement interagir avec l'environnement mais ces interactions agissent comme des mesures. Cela déclenche un effet de type zéno quantique qui empêche l'état de s'effondrer au centre de réaction. Ainsi, le transfert d'énergie ne peut pas se produire de cette manière, disent Vattay et Kauffman.

Au lieu de cela, ils proposent un nouveau processus dans lequel le mécanisme de recherche quantique et l'interaction avec l'environnement se combinent pour surmonter la localisation d'Anderson. C'est l'interaction entre ces processus qui fournit l'énergie au centre de réaction de manière optimale, disent-ils.

L'idée est que l'interaction avec l'environnement modifie la nature ondulatoire de l'état quantique juste assez pour empêcher la localisation d'Anderson. Dans le même temps, l'effet zénon quantique prolonge la durée de vie de l'état quantique lui permettant de trouver son chemin vers le centre de réaction. C'est cette interaction entre les mondes quantique et classique qui permet le transfert d'énergie.

Cela explique le comportement de type quantique des processus de récolte de lumière à température ambiante. Mais Vattay et Kauffman disent que l'idée a d'autres implications importantes. Le problème de trouver un centre de réaction dans une matrice protéique est formellement équivalent à de nombreux autres problèmes informatiques. Il devrait donc être possible de transformer la récolte de lumière en une tâche informatique en faisant correspondre un problème à l'autre.

Cela pourrait considérablement améliorer les vitesses de calcul à température ambiante. Les ordinateurs basés sur des complexes de récolte de lumière artificielle pourraient avoir des unités avec une efficacité 100 à 1000 fois plus grande à température ambiante, selon Vattay et Kauffman.

De plus, ce type de calcul est peut-être déjà à l'œuvre dans la nature. Étant donné que la réalisation de ce mécanisme semble maintenant relativement facile, il est important de savoir s'il a été réalisé dans des systèmes de récolte de lumière ou s'il est également présent dans d'autres processus de transport ou d'optimisation biologiques. Surtout dans le cerveau humain, disent-ils.

S'ils ont raison, ce nouveau type de calcul pourrait générer un regain d'intérêt en peu de temps.

Réf : arxiv.org/abs/1311.4688 : Conception évolutive en informatique quantique biologique

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