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 ?
La conscience, la pensée complexe et le fonctionnement du cerveau restent encore partiellement mystérieux. Au fil de l’histoire, l’esprit humain a été décrit à travers différentes analogies, généralement inspirées de la technologie la plus avancée de l’époque.
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 sans que ses capacités et celles du cerveau puissent être directement comparées.
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 une superposition de plusieurs états possibles donne lieu à un résultat défini lors de la mesure. 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 avoir montré que la formation des trous noirs découle de la théorie de la relativité générale.
Source: Prix Nobel
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.
Les partisans de cette théorie proposent une explication de l’action des anesthésiques généraux : ils pourraient perturber certains effets quantiques dans la tubuline, affectant la conscience sans interrompre toute activité cérébrale inconsciente. Cette interprétation reste une hypothèse.
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 critiquée par une grande partie de la communauté scientifique. La principale difficulté consiste à expliquer comment la cohérence quantique nécessaire à un calcul pourrait persister suffisamment longtemps dans un milieu biologique chaud et complexe. De nombreuses expériences nécessitent des conditions très contrôlées, notamment le vide ou de très basses températures, mais tous les effets quantiques ne sont pas limités à ces environnements.
De nombreuses architectures d’ordinateurs quantiques nécessitent également des conditions contrôlées de ce type, comme nous l’avons décrit dans notre article sur le sujet : « L’état actuel de l’informatique quantique ».
Selon les critiques de cette hypothèse, la chaleur et la complexité du cerveau pourraient empêcher le maintien prolongé de la cohérence nécessaire au calcul quantique. Cela ne signifie pas que tout effet quantique y soit impossible.
Les effets quantiques dans les systèmes biologiques
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.
Lorsque ces radicaux réagissent, le résultat dépend de l’intensité et de l’orientation du champ magnétique. Selon cette hypothèse, l’oiseau serait sensible à cet effet et pourrait ainsi distinguer le nord du sud. Le processus est quantique : les électrons de la paire de radicaux sont intriqués, ce qui signifie qu’ils doivent être décrits comme un système quantique commun, même lorsqu’ils sont séparés par une certaine distance.
Mesures récentes
En 2022, des chercheurs ont rapporté des signaux qu’ils interprètent comme des indices possibles d’effets quantiques cérébraux associés aux les « potentiels évoqués par le battement cardiaque » (HEP). Ces résultats préliminaires ne constituent pas, à eux seuls, une preuve définitive d’intrication quantique dans le cerveau.
(L’intrication quantique désigne des corrélations entre les états de 2 particules qui doivent être décrits conjointement. Elle ne permet pas de transmettre des messages plus vite que la lumière).
En avril 2024, une étude a apporté de nouveaux résultats sur des effets quantiques dans des structures protéiques biologiques. Elle n’a pas démontré directement l’existence d’un calcul quantique dans un cerveau vivant.
Plus précisément, il s’agit d’un phénomène appelé superradiance. Dans une publication intitulée « Superradiance ultraviolette de méga-réseaux de tryptophane dans des architectures biologiques », les auteurs modélisent des effets collectifs dans de grands réseaux de tryptophane présents dans des protéines et confirment expérimentalement une augmentation du rendement quantique de fluorescence. La tubuline contient des résidus de tryptophane ; elle n’est pas entièrement constituée de cet acide aminé.
Source: Publications de l’ACS
Ces résultats contribuent à comprendre les effets optiques collectifs dans des structures protéiques complexes. Ils ne constituent toutefois pas une démonstration de calcul quantique stable dans des cellules vivantes ni une preuve concernant la conscience.
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. Les résultats sur la superradiance dans des structures contenant de la tubuline ouvrent des pistes pour étudier les effets quantiques biologiques, sans établir que le cerveau fonctionne comme un superordinateur quantique.
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, ces travaux invitent à étudier le rôle éventuel de processus optiques dans les systèmes biologiques ; ils ne prouvent pas que les neurones transmettent l’information comme des fibres optiques.
La signalisation neuronale est normalement expliquée par des mouvements d’ions à travers la membrane cellulaire et par la propagation des variations de potentiel électrique. Les nouvelles hypothèses ne remplacent pas automatiquement ce mécanisme établi.
La superradiance est un phénomène extrêmement rapide qui se produit dans la gamme des picosecondes (un milliardième de milliseconde). Cette rapidité ne permet pas de conclure que l’information circule dans le cerveau à la même vitesse.
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.
La maladie d’Alzheimer est associée à un stress oxydatif important, c’est-à-dire à une présence excessive de radicaux libres. Ceux-ci peuvent être liés à l’émission de photons ultraviolets de haute énergie susceptibles d’endommager les cellules.
Le tryptophane peut absorber cette lumière ultraviolette et la réémettre à une énergie plus faible. Selon cette étude, de très grands réseaux de tryptophane peuvent le faire plus efficacement grâce à leurs effets quantiques collectifs.
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
L’étude d’effets quantiques dans des environnements complexes peut aider à mieux comprendre les conditions de leur maintien et de leur disparition.
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 préserver la cohérence quantique nécessaire malgré les interactions avec l’environnement.
De nombreuses architectures utilisent un environnement extrêmement froid pour contrôler les qubits. Cela pose des défis techniques et peut accroître la consommation énergétique, la complexité et le coût. Cependant, toutes les technologies de calcul quantique ne reposent pas sur des températures ultrabasses.
« Ces nouveaux résultats intéresseront la vaste communauté des chercheurs en systèmes quantiques ouverts et en calcul quantique, car les méthodes théoriques employées dans cette étude sont largement utilisées dans ces domaines pour comprendre les réseaux quantiques complexes dans des environnements bruyants. »
Pr Nicolò Defenu — École polytechnique fédérale de Zurich (ETH), en Suisse
Cela pourrait ouvrir la voie à des processus plus efficaces et peut‑être plus stables et moins énergivores pour les futures générations d’ordinateurs quantiques.
L’étude de la superradiance constitue une autre piste possible. Les résultats obtenus dans des structures biologiques sont intéressants, mais leur utilisation dans un ordinateur quantique pratique reste à démontrer.
« La superradiance à photon unique promet de nouveaux outils pour stocker l’information quantique, et ces travaux mettent en évidence ses effets dans un contexte entièrement nouveau et différent.
Nous examinerons certainement de près les implications des effets quantiques dans les systèmes vivants au cours des prochaines années. »
Marlan Scully — pionnier du laser et théoricien de l’optique quantique
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 « Des avancées significatives vers l’intelligence des organoïdes ».
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 pour les États‑Unis, le Canada, l’Australie, le 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
INTC Graphique du prix
Intel (INTC ) est un grand fabricant de puces et semble viser à exploiter cette force dans le domaine de l’informatique quantique.
Intel a présenté en 2023 « Tunnel Falls », une puce de recherche à 12 qubits de spin en silicium. Intel l’a mise à disposition de la communauté scientifique et a annoncé un rendement de fabrication de 95 % sur les tranches de silicium, avec une bonne uniformité de tension. Il s’agit d’une puce de recherche, et non d’un ordinateur quantique commercial prêt à l’emploi. 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 sait, par son expérience, combien la capacité de fabrication et les standards techniques peuvent peser dans le secteur informatique. Son savoir-faire développé depuis les années 1960 et ses innovations successives peuvent lui être utiles dans ce nouveau domaine.
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 « Des avancées significatives vers l’intelligence des organoïdes ».
Récemment, du tissu cérébral humain fonctionnel a été imprimé 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 « Imprimer des organes humains en 3D : est-ce réaliste ?»).
La bio-impression représente environ 1/5 de l’activité, le segment automatisation des biosciences générant plus de 3/5 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 où les applications de la bio-impression sont encore en développement.
À long terme, les entreprises de bioprinting pourraient évoluer d’un rôle de fournisseurs d’outils pour les chercheurs à celui de partenaires des laboratoires pharmaceutiques pour produire des thérapies par bio-impression destinées aux patients. Cela pourrait transformer 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), pour lesquels l’article évoque une part de 80 % des revenus provenant des ventes récurrentes de consommables.
Si la recherche sur les organoïdes cérébraux s’accélère en raison de ses perspectives en informatique et en physique quantique, cela pourrait profiter à des entreprises comme Cellink/BICO, qui fabriquent des bio-imprimantes et des équipements destinés à ces recherches.
3. Final Spark
Fondée par Martin Kutter et Fred Jordan en 2014 et basée en Suisse, FinalSpark travaille sur des processeurs biologiques. L’entreprise évoque un potentiel d’efficacité énergétique jusqu’à un milliard de fois supérieur à celui des puces en silicium ; ce chiffre ne doit pas être présenté comme la performance indépendamment vérifiée d’un ordinateur commercial achevé.
Comme la jeune entreprise l’indique, elle a déjà testé 10 millions de neurones dans le cadre de ses travaux sur la biocomputique. Les neurones peuvent être obtenus à partir de cellules souches issues de cellules cutanées reprogrammées.
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.
Dans l’offre de 2024 décrite ici, FinalSpark propose 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.
