Informatique
Le cerveau est-il un ordinateur quantique ? De nouvelles découvertes suggèrent que cela pourrait être le cas
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Le cerveau comme une horloge ou un ordinateur ?
Consciousness, higher levels of thought, and how the brain works are still a mystery today. Over history, the functioning of the human mind has been seen through various analogies, usually using the most advanced technology of the time.
Les Grecs anciens le voyaient comme une horloge à eau. Les penseurs ultérieurs croyaient qu’il était alimenté par le mouvement des fluides corporels, puis par une horloge mécanique, puis par un circuit électrique. Aujourd’hui, nous le considérons comme un ordinateur très puissant alimenté par des signaux électriques, chaque neurone étant une sorte de transistor biologique.
En pratique, aucune de ces explications, y compris « l’ordinateur biologique », ne rend pleinement compte du fonctionnement du cerveau.
Par exemple, la capacité de calcul du cerveau fonctionne avec seulement 12‑25 watts de puissance électrique, à peine assez pour alimenter une LED. En revanche, une seule puce IA de Nvidia (NVDA ) consomme 250‑700 W pour une capacité de « pensée » bien moindre.
Il n’est pas non plus clair que « plus de puissance de calcul » soit réellement la réponse pour générer des pensées complexes et un raisonnement abstrait allant au‑delà du simple devinage que les grands modèles de langage (LLM) font aujourd’hui.
C’est pourquoi d’autres théories ont été proposées, notamment que les effets quantiques seraient responsables de l’émergence de la conscience.
Le cerveau est-il quantique ?
Le soutien de Penrose
Il existe une théorie appelée « conscience quantique », qui stipule que les fonctions cérébrales et la conscience découlent d’effets quantiques comme l’effondrement de la fonction d’onde quantique.
C’est une partie étrange de la physique quantique, où les particules passent d’un état de propriétés simultanées à un état plus « normal » où elles possèdent une caractéristique définie. Elle a notamment été popularisée par le concept du chat de Schrödinger.
Source: Wikipedia
La théorie de la conscience quantique a été défendue par Sir Roger Penrose, physicien célèbre qui a reçu le Prix Nobel de physique en 2020, pour ses travaux en astrophysique et la modélisation mathématique des trous noirs.
Source: Nobel Prize
Bien qu’il ne soit pas directement dans son domaine d’expertise, la réputation de Penrose en tant que génie de classe mondiale a attiré l’attention sur cette idée.
Calculs des microtubules
La théorie de Penrose se concentre sur des structures neuronales appelées microtubules, qui forment le « squelette » des cellules. Ces structures seraient essentielles pour effectuer les calculs qui aboutissent finalement à la conscience. Cette idée a été publiée pour la première fois en 1996.
Cette théorie expliquerait également comment les anesthésiques généraux fonctionnent, une question encore ouverte malgré près d’un siècle d’utilisation. Elle agirait en perturbant l’effet quantique dans la tubuline, bloquant la conscience mais pas l’activité cérébrale inconsciente.
Vous pouvez également regarder Sir Penrose expliquer sa théorie dans cette vidéo de 42 minutes :
Critiques
L’idée que le cerveau réalise du calcul quantique a été immédiatement critiquée par une grande partie de la communauté scientifique. Le principal problème est que l’intrication quantique et l’effondrement de la fonction d’onde ne peuvent être observés que dans des environnements très spéciaux, généralement avec des éléments purs, du vide et/ou des températures très basses, souvent à quelques degrés au-dessus du zéro absolu.
Ce sont également les conditions actuellement requises pour les ordinateurs quantiques, comme nous l’avons décrit dans notre article sur le sujet : « The Current State of Quantum Computing ».
Un cerveau organique serait trop chaud et trop complexe comme milieu pour mener à bien un calcul quantique.
Une série de découvertes quantiques dans le cerveau
L’idée qu’aucun phénomène quantique ne pourrait se produire dans le contexte désordonné de la matière organique est de plus en plus remise en question.
Nous suspectons déjà que le sens magnétique des oiseaux, qui leur permet de localiser le nord et de migrer, est lié à un tel effet quantique.
When these radicals eventually react, the outcome will depend on the strength and orientation of the magnetic field. The thinking is that the bird is sensitive to this in a way that allows it to tell north from south. The process is highly quantum as the radical pair electrons are entangled, which means that they act as a single quantum object, even though they are some distance apart.
Musser, ”Radical consciousness theory?”
Mesures récentes
En 2022, une expérience semble avoir démontré que des signaux quantiques dans le cerveau corrèlent avec les « potentiels évoqués par le battement cardiaque » (HEP). Cela pourrait montrer que l’intrication quantique est possible dans le corps humain.
(Quantum entanglement is when 2 particles are paired together, and can “communicate” with each other, even without a signal and quicker than the speed of light).
Plus récemment, en avril 2024, une nouvelle découverte dans le cerveau a démontré qu’au moins certains effets quantiques peuvent exister dans les neurones, alors qu’on les jugeait auparavant impossibles.
Plus précisément, il s’agit d’un phénomène appelé superradiance. Dans une publication intitulée « Ultraviolet Superradiance from Mega-Networks of Tryptophan in Biological Architectures », les auteurs montrent que de grandes structures constituées de l’acide aminé tryptophane, comme le tubuline neuronal, peuvent afficher la superradiance.
Source: ACS Publication
Une telle manifestation d’effets quantiques stables provenant de structures à l’échelle du micron est sans précédent, surtout pour des matériaux aussi complexes et « bruyants » que les molécules biologiques vivantes.
Allant peut‑être encore plus loin, certains scientifiques proposent que les mémoires dans les cerveaux organiques soient créées via un système holographique utilisant la superradiance.
Alors, le cerveau est-il un superordinateur quantique ?
Il est bien trop tôt pour l’affirmer avec certitude. Cependant, avec la découverte de la superradiance dans le tubuline, l’argument principal selon lequel les effets quantiques ne peuvent pas fonctionner dans les sous‑structures neuronales est fortement affaibli.
Il reste encore un écart considérable entre cette observation et la démonstration que la conscience résulte de « l’effondrement induit par la gravité de la fonction d’onde quantique », selon la théorie de Penrose. Néanmoins, la découverte la plus récente implique que les neurones pourraient transmettre de l’information via des signaux optiques, comme des fibres optiques.
Cela remplacerait l’idée plus communément admise selon laquelle la signalisation neuronale implique le déplacement d’ions à travers les membranes d’une extrémité à l’autre du neurone.
La superradiance est un phénomène extrêmement rapide qui se produit dans la gamme des picosecondes (un milliardième de milliseconde). Cela rendrait tout signal transmis par cet effet des centaines de millions de fois plus rapide que les processus chimiques seuls ne le permettraient.
Applications
Maladies neurodégénératives
Bien que fascinante, il n’est pas évident de voir quelle application directe découle de cette découverte.
L’une d’elles pourrait être d’aider à comprendre et prévenir les maladies neurodégénératives comme la maladie d’Alzheimer.
Alzheimer’s has been associated with high degrees of oxidative stress—when the body carries a large number of free radicals, which can emit damaging, high-energy UV light particles.
Tryptophan can absorb this ultraviolet light and re-emit it at a lower, safer energy. And, as this study found, very large tryptophan networks can do this even more efficiently and robustly because of their powerful quantum effects.
Source: The Quantum Insider
Ce n’est pas vraiment une nouvelle théorie, les microtubules étant hypothétiquement impliqués dans Alzheimer depuis 1989. Il est connu que la protéine tau se détache des microtubules et s’attache à d’autres molécules de tau dans la maladie, formant des filaments qui finissent par s’assembler en enchevêtrements à l’intérieur des neurones.
Informatique quantique
La démonstration d’un effet quantique survivant dans un environnement désordonné remet en cause tout ce que nous pensions savoir sur ces phénomènes.
Cela pourrait être d’une grande importance pour le domaine émergent de l’informatique quantique. Le principal obstacle au développement des ordinateurs quantiques est de maintenir l’effet quantique actif au lieu de le faire s’effondrer en « matière normale ».
Jusqu’à présent, la seule stratégie consistait à créer un environnement ultra‑froid spécial pour stocker le qubit. Cela représente à la fois un défi technique et une consommation énergétique très élevée, augmentant la complexité et le prix d’un tel type d’informatique.
“These new results will be of interest to the large community of researchers in open quantum systems and quantum computation because the theoretical methods used in this study are widely employed in those fields to understand complex quantum networks in noisy environments”
Pr. Nicolò Defenu – Federal Institute of Technology (ETH) Zurich in Switzerland
Cela ouvre la voie à des processus plus efficaces et peut‑être plus stables et moins énergivores pour les futures générations d’ordinateurs quantiques.
Une autre option pourrait être d’exploiter la superradiance, désormais démontrée comme un phénomène bien plus robuste qu’on ne le pensait auparavant.
“Single-photon superradiance promises to yield new tools for storing quantum information, and this work showcases its effects in a totally new and different context.
We will certainly be examining closely the implications for quantum effects in living systems for years to come.”
Marlan Scully – Laser pioneer & theoretical quantum optics physicist
Ainsi, non seulement le calcul lui‑même pourrait un jour être basé sur un effet quantique à l’échelle du micron, mais le stockage de la mémoire/information pourrait également utiliser la superradiance.
Ordinateurs biologiques
Enfin, si les neurones sont réellement capables d’effectuer une forme de calcul quantique, cela pourrait changer le potentiel des organoïdes cérébraux. Ce sont des tissus cérébraux artificiellement cultivés actuellement utilisés pour la recherche biotechnologique sur les maladies neurodégénératives et le cerveau en général.
Les organoïdes pourraient être employés pour créer des processeurs à puces biologiques, qui seraient beaucoup plus économes en énergie que les puces à base de silicium. Avec l’IA qui devrait consommer une part croissante de notre approvisionnement énergétique mondial, cela pourrait devenir nécessaire plus tôt que prévu.
Nous avons exploré les progrès de la technologie des organoïdes cérébraux dans notre article « Meaningful Steps Toward Organoid Intelligence Being Taken ».
Investir dans le cerveau quantique
En tant qu’idée à la toute pointe de la science, il n’existe actuellement aucune application directe de ces découvertes. Cependant, les entreprises liées à l’informatique quantique et aux organoïdes cérébraux sont accessibles aux investisseurs.
Vous pouvez investir dans des sociétés liées au quantique via de nombreux courtiers, et vous trouverez ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, et de nombreux autres pays.
Si vous n’êtes pas intéressé par le choix d’entreprises spécifiques d’informatique quantique, vous pouvez également vous tourner vers des ETF quantiques comme le Defiance Quantum ETF (QTUM), qui offriront une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur l’industrie de l’informatique quantique. Ou vous pouvez consulter notre article sur les « 5 meilleures entreprises d’informatique quantique ».
Entreprises d’informatique quantique et neuronale
1. Intel
Intel (INTC ) est un grand fabricant de puces et semble viser à exploiter cette force dans le domaine de l’informatique quantique.
Il a récemment publié « Tunnel Falls », le « puce qubit spin silicium la plus avancée ». Ce qui est remarquable, c’est qu’il ne s’agit pas d’un prototype mais d’une puce produite à grande échelle, avec un taux de rendement de 95 % sur la tranche et une uniformité de tension. Cela ouvre la voie à la production de masse de puces d’informatique quantique, chose encore difficile à obtenir dans une industrie naissante et en rapide évolution.
Source: Intel
Fidèle à ses racines, Intel développe également le logiciel permettant d’utiliser ses puces, avec la sortie du Intel Quantum SDK. Celui‑ci fournit des directives aux programmeurs pour développer des logiciels d’informatique quantique compatibles avec la conception des puces quantiques Intel, ce qui a historiquement constitué un atout très fort et rentable pour le cœur de métier des puces conventionnelles d’Intel.
Source: Intel
L’arrivée d’une fabrication de puces quantiques à grande échelle pourrait être aussi révolutionnaire pour l’industrie que n’importe quelle autre percée scientifique technique, en réduisant les coûts et en établissant des standards de programmation et d’architecture de puces communs.
Intel est une entreprise qui sait, par l’expérience, à quel point cela peut être une force dans le secteur informatique. Elle continue de s’appuyer sur le sillage de ses innovations et brevets depuis les années 1960.
2. BICO Group AB (BICO.ST)
Une façon d’étudier le cerveau et les nerfs consiste à utiliser des organoïdes cérébraux. Ces mini‑cerveaux artificiellement créés peuvent être employés en laboratoire pour reproduire la réaction des neurones à d’éventuels traitements, aidant les chercheurs à trouver des thérapies pour le cerveau réel.
Nous avons détaillé leur fonctionnement et les dernières avancées dans ce domaine dans « Meaningful Steps Toward Organoid Intelligence Being Taken ».
Récemment, des organoïdes cérébraux beaucoup plus complexes ont été imprimés en 3D par des chercheurs de l’Université du Wisconsin–Madison. Ils l’ont fait avec une imprimante biologique Cellink, ouvrant de nouvelles perspectives pour cet appareil dans la recherche en neurosciences.
Source: Cellink
En 2021, Cellink a été renommée BICO Group, suite à son acquisition de Cytena en 2019 et de Scienion en 2020.
Cellink reste le nom de marque pour la partie bioprinting de l’entreprise. L’idée est de réutiliser les méthodes d’impression 3D pour créer à la demande des tissus ou organes 3D. (Vous pouvez lire une discussion à ce sujet dans « 3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?»).
Bioprinting représente environ 1/5th de l’activité, le segment automatisation biosciences générant plus de 3/5th du chiffre d’affaires.
Source: BICO Group AB
Bien que n’étant pas seul sur le marché, Cellink est clairement un fabricant d’équipements de bioprinting très avancé. Les réalisations du Pr Zhang avec ces machines montrent leur potentiel en recherche neurologique, un domaine qui n’utilise pas encore réellement le bioprinting.
À long terme, les entreprises de bioprinting devraient évoluer d’un rôle de fournisseurs d’outils pour les chercheurs à celui de fournisseurs de thérapies de bioprinting pour les patients pharmaceutiques. Cela changera complètement le nombre d’imprimantes biologiques utilisées et, surtout, le volume de consommables vendus chaque mois.
C’est le même processus qui s’est produit pour d’autres fabricants d’équipements de laboratoire, notamment les machines de séquençage génomique de PacBio (PACB) et Illumina (ILMN), qui finissent par tirer 80 % de leurs revenus des ventes récurrentes de consommables.
Si la recherche sur les organoïdes cérébraux reçoit un coup de pouce agressif en raison de son potentiel pour l’informatique et la recherche en physique quantique, cela pourrait être très bénéfique pour les entreprises qui les produisent, comme Cellink/BICO.
3. Final Spark
Fondée par Martin Kutter et Fred Jordan en 2014 et basée en Suisse, Final Spark plaide pour des processeurs à puces biologiques qui consomment beaucoup moins d’énergie (un milliard de fois plus efficace que les puces en silicium).
Comme le startup le prétend, il a déjà testé 10 millions de neurones dans son effort de construire des machines pensantes à partir de neurones humains vivants dérivés de la peau.
La startup exploite des techniques sophistiquées de culture cellulaire pour démontrer la capacité de calcul auto‑soutenu en vue de créer les futurs modèles d’IA.
Final Spark propose désormais un accès à sa capacité de biocomputing via le cloud. Son Neuroplatform est disponible pour les institutions de recherche à un tarif mensuel de 500 $ par utilisateur.
