Physicist revisits the computational limits of life and Schrödinger's essential question in the era of quantum computing
traduit et commenté par R.O.HARTMANSHENN
Un physicien revisite les limites computationnelles de la vie et la question essentielle de Schrödinger à l'ère de l'informatique
Par l'Université Howard
Crédit : Pixabay/CC0 Domaine public
Il y a plus de 80 ans, Erwin Schrödinger, physicien théoricien imprégné de la philosophie de Schopenhauer et des Upanishads, donnait une série de conférences publiques au Trinity College de Dublin, publiées en 1944 sous le titre « Qu'est-ce que la vie ? ».
Aujourd'hui, en 2025, Année internationale des sciences et technologies quantiques, Philip Kurian, physicien théoricien et directeur fondateur du Laboratoire de biologie quantique (QBL) de l'Université Howard à Washington, D.C., s'est appuyé sur les lois de la mécanique quantique postulées par Schrödinger et sur la découverte par le QBL de filaments cytosquelettiques présentant des caractéristiques d'optique quantique pour fixer une limite supérieure radicalement révisée à la capacité de calcul de la vie basée sur le carbone dans toute l'histoire de la Terre.
Publiés dans Science Advances, les derniers travaux de Kurian émettent l'hypothèse d'une relation entre cette limite de traitement de l'information et celle de toute la matière dans l'univers observable.
« Ces travaux relient les grands piliers de la physique du XXe siècle – la thermodynamique, la relativité et la mécanique quantique – pour un changement de paradigme majeur dans les sciences biologiques, en étudiant la faisabilité et les implications du traitement de l'information quantique dans les matériaux humides à température ambiante », a déclaré Kurian.
Les physiciens et les cosmologistes devraient s'interroger sur ces découvertes, notamment lorsqu'ils étudient les origines de la vie sur Terre et ailleurs dans l'univers habitable, évoluant de concert avec le champ électromagnétique.
Mécanique quantique et superradiance
Les effets de la mécanique quantique – les lois de la physique que de nombreux scientifiques pensent ne s'appliquer qu'à de petites échelles – sont sensibles aux perturbations. C'est pourquoi les ordinateurs quantiques doivent être maintenus à des températures plus froides que l'espace, et seuls les petits objets, comme les atomes et les molécules, présentent généralement des propriétés quantiques.
D'un point de vue quantique, les systèmes biologiques sont des environnements assez hostiles : ils sont chauds et chaotiques, et même leurs composants fondamentaux, comme les cellules, sont considérés comme grands.
Mais l'année dernière, l'équipe de Kurian a découvert un effet quantique distinct dans des polymères protéiques en solution aqueuse, qui survivent à ces conditions difficiles à l'échelle du micron, et pourraient également offrir au cerveau un moyen de se protéger des maladies dégénératives comme la maladie d'Alzheimer et les démences apparentées. Leurs résultats suggèrent de nouvelles applications et plateformes pour les chercheurs en informatique quantique, et représentent une nouvelle façon de penser la relation entre la vie et la mécanique quantique.
Dans son article publié en tant qu'auteur unique dans Science Advances, Kurian a examiné un simple trio d'hypothèses fondamentales : la mécanique quantique standard, la limite de vitesse relativiste fixée par la lumière et un univers dominé par la matière à une densité masse-énergie critique.
« Combinée à ces prémisses plutôt anodines, la confirmation expérimentale remarquable de la superradiance à photon unique dans une architecture biologique omniprésente à l'équilibre thermique ouvre de nombreuses pistes de recherche en optique quantique, en théorie de l'information quantique, en physique de la matière condensée, en cosmologie et en biophysique », a déclaré le professeur Marco Pettini d'Aix-Marseille Université et du Centre de physique théorique du CNRS (France), qui n'était pas associé aux travaux.
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Traitement de l'information quantique, au-delà de la signalisation biochimique
La molécule clé à l'origine de ces propriétés remarquables est le tryptophane, un acide aminé présent dans de nombreuses protéines qui absorbe la lumière ultraviolette et la réémet à une longueur d'onde plus longue. De vastes réseaux de tryptophane se forment dans les microtubules, les fibrilles amyloïdes, les récepteurs transmembranaires, les capsides virales, les cils, les centrioles, les neurones et d'autres complexes cellulaires.
La confirmation par le QBL de la superradiance quantique dans les filaments du cytosquelette a pour conséquence fondamentale que tous les organismes eucaryotes peuvent utiliser ces signaux quantiques pour traiter l'information.
Pour décomposer les aliments, les cellules soumises à la respiration aérobie utilisent l'oxygène et génèrent des radicaux libres, susceptibles d'émettre des particules UV nocives et à haute énergie. Le tryptophane peut absorber cette lumière ultraviolette et la réémettre à une énergie plus faible. Et, comme l'a révélé l'étude QBL, de très grands réseaux de tryptophane peuvent le faire de manière encore plus efficace et robuste grâce à leurs puissants effets quantiques.
Le modèle standard de la signalisation biochimique implique des ions se déplaçant à travers les cellules ou les membranes, générant des pics lors d'un processus électrochimique qui prend quelques millisecondes pour chaque signal. Mais les neurosciences et d'autres chercheurs en biologie n'ont compris que récemment que l'histoire ne s'arrête pas là.
La superradiance dans ces filaments du cytosquelette se produit en environ une picoseconde, soit un millionième de microseconde. Leurs réseaux de tryptophane pourraient fonctionner comme des fibres optiques quantiques permettant aux cellules eucaryotes de traiter l'information des milliards de fois plus vite que ne le permettraient les processus chimiques seuls.
« Les implications des découvertes de Kurian sont stupéfiantes », a déclaré le professeur Majed Chergui de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse) et de l'Elettra-Sincrotrone Trieste (Italie), qui a soutenu l'étude expérimentale de 2024.
« La biologie quantique, et en particulier nos observations de signatures superradiantes issues de méthodes standard de spectroscopie des protéines, guidées par sa théorie, pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour la compréhension de l'évolution des systèmes vivants, à la lumière de la photophysique. »
Vie aneurale et capacité de calcul planétaire
En considérant le traitement de l'information biologique principalement au niveau du neurone, de nombreux scientifiques négligent le fait que les organismes aneuraux, notamment les bactéries, les champignons et les plantes, qui constituent l'essentiel de la biomasse terrestre, effectuent des calculs sophistiqués. Et comme ces organismes sont présents sur notre planète depuis bien plus longtemps que les animaux, ils constituent la grande majorité des calculs basés sur le carbone de la Terre.
« Il existe des signatures d'émetteurs quantiques similaires dans les milieux interstellaires et sur les astéroïdes interplanétaires, qui pourraient être les précurseurs de l'avantage informatique de la vie eucaryote », a déclaré Dante Lauretta, professeur de planétologie et de cosmochimie à l'Université de l'Arizona et directeur du Centre d'astrobiologie de l'Arizona, qui n'a pas participé aux travaux.
« Les prédictions de Kurian fournissent des limites quantitatives, au-delà de l'équation de Drake, sur la manière dont les systèmes vivants superradiants améliorent la capacité de calcul planétaire. Les propriétés remarquables de cette modalité de signalisation et de traitement de l'information pourraient révolutionner l'étude des exoplanètes habitables. »
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Comparaisons de performances avec les ordinateurs quantiques
Cette dernière analyse a également attiré l'attention des chercheurs en informatique quantique, car la survie d'effets quantiques fragiles dans un environnement « bruyant » intéresse vivement ceux qui souhaitent améliorer la résilience des technologies de l'information quantique. Kurian s'est entretenu avec plusieurs chercheurs en informatique quantique, surpris de découvrir de tels liens en sciences biologiques.
« Ces nouvelles comparaisons de performances intéresseront la vaste communauté de chercheurs en systèmes quantiques ouverts et en technologie quantique », a déclaré le professeur Nicolò Defenu de l'École polytechnique fédérale de Zurich (ETH) en Suisse, chercheur en sciences quantiques non associé à ces travaux. « Il est vraiment fascinant de constater un lien vital et croissant entre la technologie quantique et les systèmes vivants.»
Dans l'article de Science Advances, Kurian explique et revisite les propriétés quantiques fondamentales et les considérations thermodynamiques d'une longue lignée de physiciens qui ont mis en évidence le lien essentiel entre physique et information.
Grâce à la découverte par son groupe de qubits excités par les UV dans les fibres biologiques, la quasi-totalité de la vie sur Terre possède la capacité physique de calculer avec des degrés de liberté quantiques contrôlables, permettant ainsi le stockage et la manipulation d'informations quantiques avec des cycles de correction d'erreurs bien supérieurs aux derniers codes de surface basés sur des réseaux.
« Et tout cela dans une soupe chaude ! Le monde de l'informatique quantique devrait s'en inspirer », a déclaré Kurian.
Ces travaux ont également attiré l'attention du physicien quantique Seth Lloyd, professeur de génie mécanique au MIT et pionnier de l'étude de l'informatique quantique et de la capacité de calcul de l'univers.
« Je salue les efforts audacieux et imaginatifs du Dr Kurian pour appliquer la physique fondamentale du calcul à la quantité totale de traitement d'informations effectuée par les systèmes vivants au cours de la vie sur Terre. Il est bon de rappeler que le calcul effectué par les systèmes vivants est bien plus puissant que celui effectué par les systèmes artificiels », a déclaré Lloyd.
« À l'ère de l'intelligence artificielle et des ordinateurs quantiques, il est important de se rappeler que les lois physiques restreignent tous leurs comportements », a déclaré Kurian.
« Et pourtant, bien que ces limites physiques strictes s'appliquent également à la capacité de la vie à suivre, observer, connaître et simuler des parties de l'univers, nous pouvons toujours explorer et comprendre l'ordre brillant qui l'habite, à mesure que l'histoire cosmique se déroule. C'est impressionnant de pouvoir jouer un tel rô
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RESUME
Un physicien revisite les limites computationnelles de la vie et la question essentielle de Schrödinger à l'ère de l'informatique quantique.
Il y a plus de 80 ans, Erwin Schrödinger, physicien théoricien imprégné de la philosophie de Schopenhauer et des Upanishads, donnait une série de conférences publiques au Trinity College de Dublin, publiées en 1944 sous le titre « Qu'est-ce que la vie ? ».
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COMMENTAIRES
Alors la vie c est quoi ???
C 'est par exemple ces bacteries thermophiles trouvées à 5 km de profondeur dans des couches riches en oxydriles OH de la croute terrestre ...C'est aussi ces bacteries se nourissant d'H2S souss 3 km d epaisseur d eau !
Mais l'apparition de la vie c est plus précisément quoi ???????
L 'excitation U.V spatiale solaire de soltions acqueuses de molécules organiques particulières dans des conditions thermodynamiquement favorables et déclanchant un mécanisme d'autoréplication aurait donc un lien avec la ''titilation'' de certains qubits dans certaines transitions quantiques
???? J 'y perds mon latin et j'invite mes lecteurs a s interoger !
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More information: Philip Kurian, Computational Capacity of Life in Relation to the Universe, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adt4623. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4623
Journal information: Science Advances
Provided by Howard University
