Il y a plus de 80 ans, Erwin Schrödinger, physicien théorique imprégné de la philosophie de Schopenhauer et des Upanishads, a livré une série de conférences publiques au Trinity College, Dublin, qui a finalement été publiée en 1944 sous le titre « Qu’est-ce que la vie? »
Now, in the 2025 International Year of Quantum Science and Technology, Philip Kurian, a theoretical physicist and founding director of the Quantum Biology Laboratory (QBL) at Howard University in Washington, DC, has used the laws of quantum mechanics, which Schrödinger postulated, and the QBL’s discovery of cytoskeletal filaments exhibiting quantum optical features, to set a drastically revised upper bound on the computational capacity of La vie à base de carbone dans toute l’histoire de la Terre.
Publié dans Avancées scientifiquesLe dernier travail de Kurian conjecture une relation entre cette limite de traitement de l’information et celle de toutes les matières dans l’univers observable.
« Ce travail relie les points parmi les grands piliers de la physique du XXe siècle – thermodynamique, relativité et mécanique quantique – pour un changement de paradigme majeur à travers les sciences biologiques, enquêtant sur la faisabilité et les implications du traitement de l’information quantique dans les températures humides à des températures ambiantes », a déclaré Kurian.
« Les physiciens et les cosmologues devraient lutter avec ces résultats, d’autant plus qu’ils considèrent 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 s’appliquent 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 extérieur, et seuls les petits objets, tels que les atomes et les molécules, affichent généralement des propriétés quantiques.
Selon les normes quantiques, les systèmes biologiques sont des environnements assez hostiles: ils sont chauds et chaotiques, et même leurs composants fondamentaux – tels que les cellules – sont considérés comme grands.
Mais le groupe de Kurian l’année dernière a découvert un effet nettement quantique dans les polymères protéiques dans une solution aqueuse, qui survit à ces conditions difficiles à l’échelle du micron, et peut également présenter un moyen pour le cerveau de se protéger contre les maladies dégénératives comme la maladie d’Alzheimer et les démences connexes. Leurs résultats ont suggéré de nouvelles applications et plateformes pour les chercheurs en informatique quantique, et ils représentent une nouvelle façon de penser la relation entre la vie et la mécanique quantique.
Dans son seul auteur Avancées scientifiques Papier, Kurian considérait comme un simple trifecta d’hypothèses globales: mécanique quantique standard, limite de vitesse relativiste définie par la lumière et un univers dominé par la matière à une densité d’énergie massive critique.
« Combiné avec ces prémisses plutôt inoffensives, la remarquable confirmation expérimentale de la superradiance à photons uniques dans une architecture biologique omniprésente à l’équilibre thermique ouvre de nombreuses nouvelles lignes d’enquête à travers l’optique quantique, la théorie quantique de l’information, la physique de la matière, la cosmologie et la biophysique », a déclaré le professeur Marco Pettini de AIX-MARSEUS (France), qui n’était pas associé aux travaux.
Traitement de l’information quantique, au-delà de la signalisation biochimique
La molécule clé permettant ces propriétés remarquables est le tryptophane, un acide aminé trouvé dans de nombreuses protéines qui absorbe la lumière ultraviolette et la réémanent à une longueur d’onde plus longue. Les grands réseaux de tryptophane se forment dans les microtubules, les fibrilles amyloïdes, les récepteurs transmembranaires, les capsides viraux, les cils, les centrioles, les neurones et autres complexes cellulaires.
La confirmation du QBL de la superradiance quantique dans les filaments cytosquelettiques a la conséquence profonde que tous les organismes eucaryotes peuvent utiliser ces signaux quantiques pour traiter les informations.
Pour décomposer les aliments, les cellules subissant une respiration aérobie utilisent de l’oxygène et génèrent des radicaux libres, ce qui peut émettre des particules de lumière UV à haute énergie. Le tryptophane peut absorber cette lumière ultraviolette et la réémettre à une énergie plus faible. Et, comme l’étude QBL l’a révélé, de très grands réseaux de tryptophane peuvent le faire encore plus efficacement et robustement en raison de leurs puissants effets quantiques.
Le modèle standard pour la signalisation biochimique implique des ions se déplaçant à travers les cellules ou les membranes, générant des pointes dans un processus électrochimique qui prend quelques millisecondes pour chaque signal. Mais les neurosciences et autres chercheurs biologiques ont récemment pris conscience que ce n’est pas toute l’histoire.
La superradiance dans ces filaments cytosquelettiques se produit dans environ un picoseconde – un millionième de microseconde. Leurs réseaux de tryptophane pourraient fonctionner comme des fibres optiques quantiques qui permettent aux cellules eucaryotes de traiter les informations plus rapidement que les processus chimiques ne le permettraient.
« Les implications des idées de Kurian sont stupéfiantes », a déclaré le professeur Majed Chergui de l’École Polytechnique Fédéral de Lausanne (Suisse) et Elettra-Sincrotrone Trieste (Italie), qui a soutenu l’étude expérimentale en 2024.
« La biologie quantique – en particulier nos observations de signatures superradiantes à partir de méthodes de spectroscopie protéique standard, guidées par sa théorie – a le potentiel d’ouvrir de nouvelles vues pour comprendre l’évolution des systèmes vivants, à la lumière de la photophysique. »
Vie anéurale et capacité informatique planétaire
En pensant au traitement de l’information biologique principalement au niveau du neurone, de nombreux scientifiques ignorent le fait que les organismes anéuraux – y compris les bactéries, les champignons et les plantes, qui forment la majeure partie de la biomasse de la Terre – performent des calculs sophistiqués. Et comme ces organismes sont sur notre planète depuis bien plus longtemps que les animaux, ils constituent la grande majorité du calcul à base de carbone de la Terre.
« Il y a des signatures dans les médias interstellaires et sur des astéroïdes interplanétaires d’émetteurs quantiques similaires, qui peuvent être des précurseurs à l’avantage informatique d’Eucaryotic Life », a déclaré Dante Lauretta, professeur de sciences planétaires et de cosmochimie à l’Université d’Arizona et directrice de l’Arizona Astrobiology Center, qui n’était pas associée à l’œuvre.
« Les prédictions de Kurian fournissent des limites quantitatives, au-delà de l’équation familière de Drake, sur la façon 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 changer la donne dans l’étude des exoplantes habitables. »
Comparaisons de performances avec les ordinateurs quantiques
Cette dernière analyse a également attiré l’attention des chercheurs dans l’informatique quantique, car la survie des effets quantiques fragiles dans un environnement « bruyant » est d’un grand intérêt pour ceux qui souhaitent rendre les technologies de l’information quantique plus résilientes. Kurian a eu des conversations avec plusieurs chercheurs en informatique quantique qui ont été surpris de trouver de telles connexions dans les sciences biologiques.
« Ces nouvelles comparaisons de performance seront intéressantes à la grande communauté de chercheurs dans les systèmes quantiques ouverts et la technologie quantique », a déclaré le professeur Nicolò Defenu du Federal Institute of Technology (ETH) Zurich en Suisse, un chercheur quantique qui n’était pas associé aux travaux. « C’est vraiment intrigant de voir une connexion vitale et croissante entre la technologie quantique et les systèmes vivants. »
Dans le Avancées scientifiques Article, Kurian explique et revisite les propriétés quantiques fondamentales et les considérations thermodynamiques d’une longue lignée de physiciens qui ont clairement indiqué le lien essentiel entre la physique et l’information.
Avec la découverte par son groupe de qubits excités par les UV dans les fibres biologiques, presque toute la vie sur Terre a la capacité physique de calculer avec des degrés quantiques contrôlables de liberté, permettant le stockage et la manipulation des informations quantiques avec des cycles de correction d’erreur en déplaçant de loin les derniers codes de surface basés sur le réseau.
« Et tout cela dans une soupe chaude! Le monde de l’informatique quantique devrait en faire remarquer », a déclaré Kurian.
Les travaux ont également attiré l’attention du physicien quantique Seth Lloyd, professeur de génie mécanique au MIT et pionnier dans l’étude de l’informatique quantique et de la capacité de calcul de l’univers.
« J’applaudis les efforts audacieux et imaginatifs du Dr Kurian pour appliquer la physique fondamentale du calcul à la quantité totale de traitement de l’information effectué par des systèmes vivants au cours de la vie sur Terre. Il est bon de rappeler que le calcul effectué par les systèmes vivants est beaucoup plus puissant que celui effectué par des artificiels », a déclaré Lloyd.
« À l’ère des intelligences artificielles 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, à observer, à connaître et à simuler des parties de l’univers, nous pouvons toujours explorer et donner un sens à l’ordre brillant en elle, alors que l’histoire cosmique se déroule. Il est impressionnant que nous puissions jouer un tel rôle. »
Plus d’informations:
Philip Kurian, capacité de vie de la vie par rapport à l’univers, Avancées scientifiques (2025). Doi: 10.1126 / sciadv.adt4623. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4623
Fourni par l’Université Howard