Les avantages des effets quantiques pour les réseaux biologiques, sociaux et technologiques

Anonim

L'efficacité dans les processus biomoléculaires de la nature, tels que la photosynthèse, n'est pas entièrement expliquée par la théorie conventionnelle. Le projet PAPETS financé par l'UE a exploré les effets quantiques afin de mieux comprendre ces processus, ce qui a récemment conduit à de nouvelles connaissances sur les possibilités de calcul quantique.

Jusqu'à récemment, on pensait que le comportement étrange des entités rapportées par la physique quantique se manifestait principalement au niveau submicroscopique. Cependant, au cours des dernières années, des questions ont été posées sur le rôle du comportement quantique dans des processus biologiques macroscopiques plus quotidiens. Les travaux antérieurs du projet PAPETS, financé par l’UE, sur ces phénomènes biologiques, principalement dans la photosynthèse et les olfactions, ont alimenté ces récentes découvertes.

Deux effets quantiques pourraient expliquer les processus biologiques qui ont quelque peu déconcerté les chercheurs, à savoir: la capacité à exister à plusieurs endroits à la fois (superposition) et à pouvoir disparaître instantanément, puis à réapparaître dans un endroit totalement différent.

Le labyrinthe quantique

Des chercheurs s’appuyant sur les travaux menés dans le cadre du projet PAPETS, expliquent dans la revue Physical Review Letters comment ils ont récemment réussi à exploiter la temporalité des tâches de calcul quantique effectuées sur des réseaux aléatoires dynamiques. Afin de tester les limites du calcul quantique, l'équipe a étudié un algorithme de recherche spatiale utilisant des informations quantiques pour trouver un nœud marqué sur un réseau temporel aléatoire.

Les auteurs soulignent qu'il avait déjà été démontré que le calcul quantique offrirait un avantage de rapidité dans les tâches de recherche au sein de réseaux dépassant un certain seuil de connectivité nodale. Cependant, ils ont également constaté qu'en dessous de ce seuil de connexions, l'avantage quantique ne tenait plus.

Dans l'étude, les chercheurs ont continuellement randomisé l'arrangement réel du réseau, le nombre de connexions ayant également changé, tout en maintenant le nombre de nœuds constant. Ils ont constaté que quel que soit le degré de connectivité, l’algorithme de recherche quantique toujours trouvé, ce qu’ils appellent «une fréquence» pour générer de nouveaux arrangements de réseau, pour trouver le nœud marqué. Fait intéressant, l’équipe a découvert que même s’ils imposaient un biais entraînant une très faible connectivité des nœuds, avec de nombreux nœuds isolés du reste du réseau, l’algorithme a créé de nouveaux arrangements de réseaux à un rythme plus rapide pour compenser.

Les résultats des chercheurs étaient en contradiction avec l’espoir que l’algorithme de recherche quantique, en essayant de trouver un nœud marqué dans un réseau, qu’il soit social, naturel ou technologique, aurait du mal à évoluer heures supplémentaires). En fait, ils démontrent que cette caractéristique temporelle peut être utilisée comme contrôle pour les performances du calcul. Bien que l’équipe anticipe que leur travail bénéficiera aux technologies de l’information quantique, pour la communication et le calcul, elle 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 maintenant terminé. Il a été mis en place pour explorer comment la dynamique électronique et vibratoire, en particulier les mécanismes assistés par phonons, joue un rôle clé dans la structure et la fonction des systèmes biomoléculaires. Le projet a examiné le rôle que les effets quantiques pourraient jouer pour rendre la photosynthèse des plantes aussi efficace qu’elle est, en permettant aux excitons porteurs d’énergie d’explorer simultanément différents chemins dans la feuille, en trouvant la voie la plus efficace vers les molécules cibles. Les résultats contribuent aux efforts visant à concevoir de meilleures cellules solaires.

En outre, l’étude a examiné la manière dont les effets quantiques pourraient contribuer à la capacité olfactive de reconnaître les odeurs des molécules grâce à un processus appelé «effet tunnel quantique», qui aide une molécule odorante à s’unir à un récepteur. Cette compréhension laisse entrevoir la possibilité de développer des technologies de détection des odeurs qui pourraient, par exemple, détecter les dangers présents dans les aliments ou l’eau.

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