L'entrelacement des photons pourrait expliquer les signaux cérébraux rapides derrière la conscience.

16 août 2024 Article de fond

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par David Appell , Phys.org

Comprendre la nature de la conscience est l'un des problèmes les plus difficiles de la science. Certains scientifiques ont suggéré que la mécanique quantique, et en particulier l'intrication quantique, est la clé pour élucider le phénomène.

Un groupe de recherche en Chine a désormais montré que de nombreux photons intriqués peuvent être générés à l'intérieur de la gaine de myéline qui recouvre les fibres nerveuses. Cela pourrait expliquer la communication rapide entre les neurones, qui jusqu'à présent était considérée comme inférieure à la vitesse du son, trop lente pour expliquer comment se produit la synchronisation neuronale.

L'article est publié dans la revue Physical Review E.

« Si le pouvoir de l'évolution cherchait une action pratique à distance, l'intrication quantique serait un candidat idéal pour ce rôle », a déclaré Yong-Cong Chen dans une déclaration à Phys.org. Chen est professeur au Centre de Shanghai pour les sciences quantitatives de la vie et le département de physique de l'Université de Shanghai.

Le cerveau communique avec lui-même en envoyant des signaux électriques appelés synapses entre les neurones, qui sont les principaux composants du tissu nerveux. C'est l'activité synchronisée de millions de neurones sur laquelle repose la conscience (entre autres activités cérébrales). Mais la manière dont cette synchronisation précise se déroule est inconnue.

Les connexions entre les neurones sont appelées axones - de longues structures apparentées à des fils électriques - et les recouvrent d'un revêtement (« gaine ») fait de myéline, un tissu blanc fait de lipides.

Composée de plusieurs centaines de couches, la myéline isole les axones, les façonne et leur fournit de l'énergie. (En réalité, une série de telles gaines s'étendent sur toute la longueur de l'axone. La gaine de myéline mesure généralement environ 100 microns de long, avec des espaces de 1 à 2 microns entre elles.) Des preuves récentes suggèrent que la myéline joue également un rôle important dans la promotion de la synchronisation entre les neurones.

Mais la vitesse à laquelle les signaux se propagent le long des axones est inférieure à la vitesse du son, parfois bien inférieure, trop lente pour créer les millions de synchronisations neuronales qui sont à la base de toutes les choses étonnantes que le cerveau peut faire.

Pour remédier à ce problème, Chen et ses collègues ont cherché à savoir s'il pouvait y avoir des photons intriqués dans ce système axone-myéline qui pourraient, grâce à la magie de l'intrication quantique, communiquer instantanément sur les distances impliquées.

Un cycle d'acide tricarboxylique libère l'énergie stockée dans les nutriments, avec une cascade de photons infrarouges libérés pendant le processus de cyclage. Ces photons se couplent aux vibrations des liaisons carbone-hydrogène (C-H) dans les molécules lipidiques et les excitent à un état d'énergie vibratoire plus élevé. Lorsque la liaison passe ensuite à un état d'énergie vibratoire inférieur, elle libère une cascade de photons.

Le groupe chinois a appliqué l'électrohydrodynamique quantique de cavité à un cylindre parfait entouré de myéline, en supposant raisonnablement que la paroi extérieure de la gaine de myéline est une paroi conductrice parfaitement cylindrique.

À l'aide de techniques de mécanique quantique, ils ont quantifié les champs électromagnétiques et le champ électrique à l'intérieur de la cavité, ainsi que les photons, c'est-à-dire qu'ils les ont tous traités comme des objets quantiques, puis, avec quelques hypothèses simplificatrices, ont résolu les équations résultantes.

Ce faisant, ils ont obtenu la fonction d'onde pour le système des deux photons interagissant avec la matière à l'intérieur de la cavité. Ils ont ensuite calculé le degré d'intrication des photons en déterminant son entropie quantique, une mesure du désordre, en utilisant une extension de l'entropie classique développée par le polymathe scientifique John von Neumann.

"Nous avons montré que les deux photons peuvent en effet avoir un taux d'intrication plus élevé dans certaines circonstances", a déclaré Chen dans sa déclaration.

La paroi conductrice limite les modes d'ondes électromagnétiques qui peuvent exister à l'intérieur du cylindre, faisant de ce dernier une cavité électromagnétique qui conserve la majeure partie de son énergie en son sein. Ces modes sont différents des ondes électromagnétiques continues (« lumière ») qui existent dans l'espace libre.

Ce sont ces modes discrets qui entraînent la production fréquente de photons hautement intriqués dans la cavité de la myéline, dont le taux de production peut être considérablement amélioré par rapport à deux photons non intriqués.

L'intrication signifie que l'état à deux photons n'est pas une combinaison classique de deux états de photons. Au lieu de cela, la mesure ou l'interaction avec l'un des photons affecte instantanément la même propriété du deuxième photon, quelle que soit sa distance.

L'intrication a été démontrée pour un système dont les membres sont distants de plus de 1 000 km. Rien de tel n'existe en physique classique ; il s'agit purement d'un phénomène quantique. Ici, l'intrication soulèverait la possibilité d'une signalisation beaucoup plus rapide le long des sections de myéline qui entourent des segments de la longueur de l'axone.