La photosynthèse pourrait-elle devenir la technologie de l’informatique quantique ?

Comme nous l’avons appris dans les cours de sciences au collège, à l’intérieur de cette variété commune de sable vert et de la plupart des autres plantes se trouvent des circuits complexes de machines biologiques qui convertissent la lumière du soleil en énergie utilisable. Ou la photosynthèse. Ces processus maintiennent les plantes en vie. Les chercheurs de l’Université de Boston ont une vision de la façon dont ils pourraient également être exploités dans des unités programmables qui permettraient aux scientifiques de construire le premier ordinateur quantique pratique.

Un ordinateur quantique serait capable d’effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques que nous utilisons aujourd’hui. L’ordinateur portable assis sur votre bureau est construit sur des unités qui peuvent représenter 0 ou 1, mais jamais les deux ou une combinaison de ces états en même temps. Alors qu’un ordinateur classique ne peut exécuter qu’une seule analyse à la fois, un ordinateur quantique pourrait exécuter un milliard de versions ou plus de la même équation en même temps, augmentant la capacité des ordinateurs à mieux modéliser des systèmes extrêmement complexes comme les modèles météorologiques ou la propagation du cancer. à travers les tissus et accélérer la rapidité avec laquelle d’énormes ensembles de données peuvent être analysés.

L’idée d’utiliser des molécules photosynthétiques à partir, disons, d’une feuille d’épinard pour alimenter des services d’informatique quantique pourrait ressembler à de la science-fiction. Ce n’est pas. C’est à la limite des possibilités, déclare David Coker, professeur de chimie au Collège des arts et des sciences et professeur de science et d’ingénierie des matériaux au Collège d’ingénierie. Coker et ses collaborateurs de BU et de l’Université de Princeton utilisent des simulations et des expériences informatiques pour fournir une preuve de concept selon laquelle les circuits photosynthétiques pourraient débloquer de nouvelles capacités technologiques. Leur travail
montre des premiers résultats prometteurs.

Au cours de la dernière décennie, il y a eu un intérêt croissant pour l’aspect quantique de la photosynthèse, dit Coker. Quantum décrit l’échelle à laquelle les atomes et les particules subatomiques interagissent, échangeant de l’énergie et influençant les états énergétiques les uns des autres.

De même, lors de la photosynthèse, les molécules sont énergisées ou, comme diraient les physiciens, excitées par l’absorption lumineuse. Lorsque cela se produit, ces molécules excitées entrent essentiellement dans des états dits de superposition, dans lesquels elles existent dans de nombreux états différents en même temps. L’idée de superposition est un concept fondamental de l’informatique quantique, dans lequel un ordinateur serait capable de calculer de nombreux résultats et facteurs potentiels, tous en même temps. Et cela augmenterait de manière exponentielle nos capacités informatiques actuelles.

Lorsque vous excitez une molécule lors de la photosynthèse, la question se pose : y a-t-il une signification biologique à ces états fous pendant lesquels plusieurs choses peuvent se produire simultanément ? dit Coker.

Coker et ses collaborateurs à BU, Ksenia Bravaya et Sahar Sharifzadeh, se sont associés à Gregory Scholes, professeur de chimie à l’Université de Princeton, pour étudier s’il était possible de produire et de contrôler un éventail d’états, au niveau quantique, dans des molécules qui effectuent photosynthèse chez les plantes (même les circuits trouvés à l’intérieur, vous avez deviné ses épinards). Pour contrôler le niveau d’excitation de ces molécules, ils ont utilisé des impulsions laser programmées de manière complexe, manipulant le spectre de la lumière et la durée des impulsions laser émises afin de pouvoir contrôler étroitement la forme et les propriétés des faisceaux de lumière frappant les molécules. Plus récemment, ils ont mené leurs expériences sur des parties photosynthétiques de cyanobactéries, des types de microbes qui génèrent de l’énergie à partir de la lumière solaire.

Les lasers sont des sources de lumière très différentes du soleil, dit Coker. C’est parce qu’un flux constant de lumière solaire déclenche une conversion constante de la lumière en énergie utilisable pour les plantes ou les cyanobactéries. En revanche, l’impulsion à tir rapide des équipes de lasers finement réglés peut bouleverser ce processus. Au lieu que les molécules se comportent de manière prévisible et linéaire pour convertir la lumière en énergie, la lumière pulsée peut amener les molécules à entrer dans plusieurs états d’excitation à la fois. .

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Il y a eu un intérêt croissant pour l’aspect quantique de la photosynthèse.

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Dans le laboratoire Scholes de Princeton, l’équipe dispose de lasers ultra-rapides qui vous épateront par la vitesse à laquelle ils peuvent produire des impulsions, explique Coker. Ils peuvent pulser pendant des durées de femtosecondes, ce qui est un million de fois plus rapide qu’une nanoseconde.

Avec ces lasers, l’équipe espère contrôler avec précision la création d’états quantiques et la durée pendant laquelle ces circuits photosynthétiques restent dans certains états quantiques. Parce que si ces circuits pouvaient être étroitement contrôlés, l’équipe envisage qu’ils pourraient éventuellement devenir des unités (qubits, comme les physiciens les appellent) capables de traiter l’information au niveau quantique, effectuant essentiellement de l’informatique quantique.

Jusqu’à présent, l’un des plus grands obstacles à la construction d’un ordinateur quantique était qu’il était si difficile de s’accrocher à un état quantique éphémère. Lorsque les molécules sont excitées, comme elles le font lorsqu’elles absorbent la lumière, dit Coker, elles commencent à interagir avec les molécules et les matériaux à proximité. Ces échanges entraînent la dissipation de l’énergie au lieu de rester concentrée, ce qui rend difficile la congélation des matériaux dans un état particulier au niveau quantique.

À l’aide des expériences d’impulsions laser ultra-rapides de Scholes, ainsi que de modèles informatiques développés par Coker et ses collaborateurs BU, l’équipe étudie comment l’énergie se dissipe à travers les matériaux et comment les états quantiques des molécules influencent si l’énergie reste contenue ou se dissipe. Si les lasers pouvaient être utilisés pour forcer les circuits photosynthétiques à rester dans certains états pendant de plus longues périodes, ce serait une véritable avancée.

Voilà quelque chose à mâcher avec votre prochaine portion d’épinards.