Une étude révèle que les cellules pourraient calculer plus rapidement que les ordinateurs quantiques actuels
Les cellules pourraient calculer plus vite que les ordinateurs quantiques actuels, car les cellules pourraient effectuer le traitement quantique de l'information, d'après une recherche
Une récente étude a révélé que les cellules pourraient calculer plus vite que les ordinateurs quantiques actuels. En effet, les cellules pourraient effectuer le traitement quantique de l'information avec une robustesse et une vitesse qui rivalisent avec les méthodes quantiques actuelles. "À l'ère des intelligences artificielles et des ordinateurs quantiques, il est important de se rappeler que les lois physiques limitent tous leurs comportements", a commenté l'auteur.
En mars 2025, la startup australienne Cortical Labs a annoncé CL1, le premier ordinateur biologique commercial au monde, qui fusionne des neurones cultivés en laboratoire à partir de cellules souches humaines avec du silicium pour créer une nouvelle forme d'IA plus avancée. L'entreprise appelle cette nouvelle forme d'IA "intelligence biologique synthétique". Elle a déclaré que son nouveau système est plus dynamique, plus durable et plus économe en énergie que toutes les IA disponibles actuellement. Ce nouveau système d'IA serait capable de se développer, de s'adapter et d'apprendre plus rapidement que l'IA basée sur des puces informatiques en silicium standard.
Récemment, des chercheurs ont fait une découverte qui pourrait donner plus d'intérêt à ce concept d'ordinateur biologique. Une nouvelle étude publiée dans Science Advances propose que les cellules puissent traiter l'information à l'aide de mécanismes quantiques beaucoup plus rapides que la signalisation biochimique classique. En d'autres termes, l'étude suggère que les cellules biologiques pourraient calculer plus rapidement que les ordinateurs quantiques actuels.
Pour rappel, un ordinateur quantique est un ordinateur qui exploite les phénomènes de la mécanique quantique. De ce fait, un ordinateur quantique évolutif pourrait effectuer certains calculs exponentiellement plus rapidement que n'importe quel ordinateur "classique" moderne. Cependant, l'état actuel de la technique est largement expérimental et peu pratique, et plusieurs obstacles s'opposent à des applications utiles.
La récente recherche identifie des effets quantiques superradiants dans des structures protéiques contenant du tryptophane, permettant un transfert d'informations à l'échelle de la picoseconde dans des environnements biologiques chauds. Ces résultats suggèrent que les cellules eucaryotes peuvent effectuer un traitement quantique de l'information avec une robustesse et une rapidité qui rivalisent avec les méthodes actuelles de correction quantique des erreurs.
Fait intéressant, en 2024, l'entreprise FinalSpark proposait déjà une plateforme d'"intelligence organoïde" (IO), alimentée par des bioprocesseurs. Les bio-processeurs sont des organoïdes cérébraux qui sont des cultures de cellules cultivées en laboratoire partageant des aspects importants de la fonction et de la structure du cerveau. Pour faire simple, la bio-informatique vise à imiter les performances du cerveau que ce soit dans l'apprentissage ou dans la vitesse de traitement de l'information. Cette nouvelle découverte ouvre donc de nouvelles perspectives pour la bio-informatique.
Les cellules biologiques pourraient calculer plus rapidement que les ordinateurs quantiques actuels
Il y a plus de 80 ans, Erwin Schrödinger, physicien théoricien imprégné de la philosophie de Schopenhauer et des Upanishads, a donné une série de conférences publiques au Trinity College de Dublin, qui ont finalement été publiées en 1944 sous le titre What is Life ?
À l'occasion de l'Année internationale des sciences et technologies quantiques (2025), Philip Kurian, physicien théoricien et directeur fondateur du laboratoire de biologie quantique (QBL) de l'université Howard à Washington, D.C., a utilisé les lois de la mécanique quantique, postulées par Schrödinger, et la découverte par le QBL de filaments cytosquelettiques présentant des caractéristiques d'optique quantique, pour établir une limite supérieure radicalement révisée de la capacité de calcul de la vie à base de carbone dans toute l'histoire de la Terre. Les derniers travaux de Kurian établissent une relation entre cette limite de traitement de l'information et celle de l'ensemble de la matière dans l'univers observable.
"Ce travail relie les grands piliers de la physique du XXe siècle - thermodynamique, relativité et mécanique quantique - pour un changement de paradigme majeur dans les sciences biologiques, en étudiant la faisabilité et les implications du traitement quantique de l'information dans la matière humide à des températures ambiantes", a déclaré Philip Kurian. "Les physiciens et les cosmologistes devraient se pencher sur ces résultats, en particulier lorsqu'ils envisagent 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 qui, selon de nombreux scientifiques, ne s'appliquent 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, tels que les atomes et les molécules, présentent 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 volumineux.
En 2024, le groupe de Philip Kurian a découvert un effet quantique distinct dans les polymères protéiques en solution aqueuse, qui survit à ces conditions difficiles à l'échelle du micron, et qui pourrait également permettre au cerveau de se protéger contre les maladies dégénératives telles que la maladie d'Alzheimer et les démences apparentées. Leurs résultats ont suggéré de nouvelles applications et plateformes pour les chercheurs en informatique quantique, et ils représentent une nouvelle façon d'envisager la relation entre la vie et la mécanique quantique.
Philip Kurian a pris en compte 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 de masse et d'énergie critique. "Combinée à ces prémisses plutôt inoffensives, la remarquable confirmation expérimentale de la superradiance d'un seul photon dans une architecture biologique omniprésente à l'équilibre thermique ouvre de nombreuses nouvelles pistes de recherche dans les domaines de l'optique quantique, de la théorie de l'information quantique, de la physique de la matière condensée, de la cosmologie et de la biophysique", a déclaré le professeur Marco Pettini de l'université d'Aix-Marseille et du Centre de physique théorique du CNRS (France).
Le traitement quantique de l'information, au-delà de la signalisation biochimique
La molécule clé qui permet d'obtenir ces propriétés remarquables est le tryptophane, un acide aminé présent dans de nombreuses protéines qui absorbe la lumière ultraviolette et la réémet à une plus grande longueur d'onde. 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 profonde 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 de l'oxygène et génèrent des radicaux libres, qui peuvent émettre des particules de lumière UV nocives et à haute énergie. Le tryptophane peut absorber cette lumière ultraviolette et la réémettre à une énergie moindre. Et, comme l'a montré l'étude du QBL, les 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 que les ions se déplacent à travers les cellules ou les membranes, générant des pics dans un processus électrochimique qui prend quelques millisecondes pour chaque signal. Mais les chercheurs en neurosciences et en biologie n'ont pris conscience que récemment que ce n'était pas tout à fait le cas. La superradiance dans ces filaments cytosquelettiques se produit en une picoseconde environ, soit un millionième de microseconde. Leurs réseaux de tryptophane pourraient fonctionner comme des fibres optiques quantiques permettant aux cellules eucaryotes de traiter les informations des milliards de fois plus vite que ne le permettraient les seuls processus chimiques.
"Les implications des découvertes de Kurian sont stupéfiantes", a déclaré le professeur Majed Chergui de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (Suisse) et d'Elettra-Sincrotrone Trieste (Italie). "La biologie quantique - en particulier nos observations des signatures superradiantes à partir de méthodes standard de spectroscopie des protéines, guidées par sa théorie - a le potentiel d'ouvrir de nouvelles perspectives pour comprendre 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 - y compris les bactéries, les champignons et les plantes, qui constituent la majeure partie 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 à base de carbone de la Terre.
"Il existe dans le milieu interstellaire et sur les astéroïdes interplanétaires des signatures d'émetteurs quantiques similaires, qui pourraient être des précurseurs de l'avantage informatique de la vie eucaryote", a déclaré Dante Lauretta, professeur de science planétaire et de cosmochimie à l'université de l'Arizona et directeur du centre d'astrobiologie de l'Arizona. "Les prédictions de Kurian fournissent des limites quantitatives, au-delà de l'équation de Drake, sur la façon dont les systèmes vivants superradiants améliorent la capacité de calcul des planètes. Les propriétés remarquables de cette modalité de signalisation et de traitement de l'information pourraient changer la donne dans l'étude des exoplanètes habitables".
Comparaisons de performances avec les ordinateurs quantiques
Cette dernière analyse a également attiré l'attention des chercheurs en informatique quantique, car la survie des effets quantiques fragiles dans un environnement "bruyant" est d'un grand intérêt pour ceux qui veulent rendre la technologie de l'information quantique plus résistante. Philip Kurian s'est entretenu avec plusieurs chercheurs en informatique quantique qui ont été surpris de trouver de tels liens dans les 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, un chercheur en informatique quantique. "C'est vraiment intriguant de voir un lien vital et croissant entre la technologie quantique et les systèmes vivants."
Philip Kurian explique et revisite les propriétés quantiques fondamentales et les considérations thermodynamiques, en s'inspirant d'une longue lignée de physiciens qui ont mis en évidence le lien essentiel entre la physique et l'information. Avec la découverte par son groupe de qubits excités par les UV dans des fibres biologiques, la quasi-totalité de la vie sur Terre a la capacité physique de calculer avec des degrés de liberté quantiques contrôlables, ce qui permet de stocker et de manipuler des informations quantiques avec des cycles de correction d'erreur bien supérieurs aux derniers codes de surface basés sur des treillis. "Et tout cela dans une soupe chaude ! Le monde de l'informatique quantique devrait en prendre bonne note", a déclaré Philip 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. "J'applaudis les efforts audacieux et imaginatifs du Dr Kurian pour appliquer la physique fondamentale du calcul à la quantité totale d'informations traitées par les systèmes vivants au cours de la vie sur Terre. Il est bon de se rappeler que les calculs effectués par les systèmes vivants sont beaucoup plus puissants que ceux effectués par les systèmes artificiels", a déclaré Seth Lloyd.
"À l'ère des intelligences artificielles et des ordinateurs quantiques, il est important de se rappeler que les lois physiques limitent tous leurs comportements", a ajouté Philip 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 donner un sens à l'ordre brillant qui y règne, au fur et à mesure que l'histoire cosmique se déroule. Il est impressionnant de pouvoir jouer un tel rôle".
Source : "Computational capacity of life in relation to the universe"
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