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La molécule de chlorophylle serait un ordinateur quantique

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Dans son fameux cours de physique, le prix Nobel Richard Feynman faisait remarquer que nous connaissions probablement déjà l'équation de la Vie. Il entendait par là l'équation de Schrödinger. Des chercheurs de l'Université de Californie, à Berkeley, viennent d'enfoncer un peu plus le clou dans ce sens. Le processus de la photosynthèse, basé sur la molécule de la chlorophylle, doit selon eux son efficacité aux lois de la physique quantique. Mieux, il serait en liaison étroite avec les processus algorithmiques proposés dans le cadre des ordinateurs quantiques.

Les membres du Fleming research group à l'origine de la découverte sur le mécanisme de la photosynthèse (à partir de la gauche) : Greg Engel , Tessa Calhoun, Tae-Kyu Ahn, Elizabeth Read et Yuan-Chung Cheng (Crédits : photo by Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab Creative Services Office).

Il est presque inutile de rappeler le rôle essentiel de la photosynthèse pour les différentes formes de vie sur Terre. Bien que d'une banalité omniprésente, l'efficacité de cette réaction, utilisant l'énergie du Soleil pour produire de l'oxygène et convertir le dioxyde de carbone et l'eau en molécules carbonées complexes et riches en énergie, laissait perplexe plus d'un biochimiste.

Sous l'action du rayonnement solaire, les molécules de chlorophylle voient leurs niveaux électroniques excités et passer à un niveau d'énergie supérieur à ceux des molécules alentour. L'énergie peut alors s'écouler de différents niveaux d'énergie en différents niveaux jusqu'à ce que la photosynthèse soit complète. Le problème était qu'il y avait différents chemins possibles pour atteindre un état d'équilibre à plus basse énergie, certains n'étant pas aussi efficaces que d'autres.

Jusqu'à présent, on pensait que les systèmes physiques exploraient de façon aléatoire, sur le principe d'une marche au hasard analogue au mouvement brownien, l'espace des états d'énergies impliqués. Si l'équilibre finissait donc bien par être atteint, l'efficacité du processus en restait néanmoins surprenante.

Gregory Engel et ses collègues pensent avoir percé le secret de cette efficacité ! Un calcul quantique, similaire à celui proposé par Lov Grover sur des ordinateurs quantiques, pour résoudre des problèmes de chemin le plus court dans des registres de données non triées, serait à l'oeuvre !

En analysant, par spectroscopie électronique, les niveaux d'énergie dans les molécules de chlorophylle, les chercheurs ont découvert des phénomènes de battements quantiques durant quelques centaines de femtosecondes.

Exactement ce à quoi on devrait s'attendre si des processus de cohérence quantique, basés sur le principe de superposition des états quantiques, étaient à l'œuvre ! De cette façon, un calcul quantique permettant de déterminer le meilleur chemin énergétique possible sans avoir à les explorer un à un devient possible.

Toutefois, pour mettre en évidence cet effet, les molécules de chlorophylle ont été refroidies à 77 K. À plus haute température, l'agitation thermique devrait naturellement détruire la cohérence quantique et certains pensent donc que les explications avancées par les chercheurs de l'Université de Berkeley ne sont pas valables.

Ils pensent quant à eux que même si le phénomènes est plus facilement détectable, ou même fonctionne mieux à cette température très basse, il doit être encore opérationnel à température ambiante. Cela reste à prouver.