Symulacja kwantowa może rzucić światło na początki życia

Jaką rolę w maszynerii życia odgrywa mechanika kwantowa? Nikt nie jest tego pewien, ale w ostatnich latach fizycy zaczęli badać wszelkiego rodzaju możliwości. W trakcie tego procesu zebrali dowody sugerujące, że mechanika kwantowa odgrywa ważną rolę w fotosyntezie, nawigacji ptaków i być może w naszym węchu.

Istnieje nawet spekulacyjny tok myślenia, że ​​procesy kwantowe musiały rządzić powstaniem samego życia i sformułowaniem kodu genetycznego. Praca nad badaniem tych pytań trwa i obejmuje uważną obserwację cząsteczek życia.

Ale jest inny sposób podejścia do tego pytania oddolnie. Informatycy od dawna bawią się sztucznymi formami życia zbudowanymi z kodu komputerowego. Ten kod żyje w środowisku opartym na krzemie, gdzie jego dopasowanie jest mierzone według pewnych kryteriów wyboru.

Proces ewolucji kwantowej i tworzenie sztucznego życia kwantowego

Rozmnaża się przez połączenie z innym kodem lub przez mutację własnego kodu. A kod najsilniejszy ma więcej potomstwa, podczas gdy najmniej przystosowany umiera. Innymi słowy, kod ewoluuje. Informatycy zastosowali to podejście do badania różnych aspektów życia, ewolucji i pojawiania się złożoności.

Jest to całkowicie klasyczny proces, polegający na wykonywaniu zwykłych kroków newtonowskich, jeden po drugim. Z drugiej strony świat rzeczywisty obejmuje mechanikę kwantową i dziwne zjawiska, na które pozwala. W ten sposób powstaje pytanie, czy mechanika kwantowa może odegrać rolę w ewolucji, a nawet w powstaniu samego życia.

Tak więc ważnym pierwszym krokiem jest odtworzenie tego procesu ewolucji w świecie kwantowym, tworząc sztuczne kwantowe formy życia. Ale czy to możliwe?

Dziś otrzymujemy odpowiedź dzięki pracy Unai Alvarez-Rodrigueza i kilku kumpli z Uniwersytetu Kraju Basków w Hiszpanii. Ci goście po raz pierwszy stworzyli kwantową wersję sztucznego życia. I twierdzą, że ich wyniki są pierwszymi przykładami ewolucji kwantowej, która pozwala fizykom zbadać sposób, w jaki złożoność pojawia się w świecie kwantowym.

Eksperyment jest w zasadzie prosty. Zespół uważa, że ​​życie kwantowe składa się z dwóch części — genotypu i fenotypu. Podobnie jak w przypadku życia opartego na węglu, genotyp kwantowy zawiera informację kwantową opisującą jednostkę — jej kod genetyczny. Genotyp to część jednostki życia kwantowego, która jest przekazywana z pokolenia na pokolenie.

Z drugiej strony fenotyp jest manifestacją genotypu, który oddziałuje ze światem rzeczywistym — ciałem jednostki. Ten stan, wraz z zakodowanymi w nim informacjami, ulega degradacji podczas życia jednostki, mówią Alvarez-Rodriguez i spółka.

Tak więc każda jednostka życia kwantowego składa się z dwóch kubitów — jednego reprezentującego genotyp, a drugiego fenotypu. Zdaniem zespołu celem jest odtworzenie charakterystycznych procesów ewolucji darwinowskiej, dostosowanych do języka algorytmów kwantowych i obliczeń kwantowych.

Pierwszym krokiem w procesie ewolucyjnym jest reprodukcja. Alvarez-Rodriguez i spółka robią to za pomocą procesu splątania, który umożliwia transmisję stanów kwantowych z jednego obiektu do drugiego. W tym przypadku uwikłają kubit genotypu w stan pusty, a następnie przekazują jego informacje kwantowe.

Kolejnym etapem jest przeżycie, które zależy od fenotypu. Alvarez-Rodriguez i spółka robią to, przenosząc aspekt stanu genotypu do innego stanu ślepego, który staje się fenotypem. Fenotyp następnie wchodzi w interakcję ze środowiskiem i ostatecznie zanika.

Proces ten jest równoznaczny ze starzeniem się i umieraniem, a czas, jaki zajmuje, zależy od genotypu. Te, które żyją dłużej, są pośrednio lepiej przystosowane do swojego środowiska i preferencyjnie rozmnażane w następnym pokoleniu.

Jest jeszcze jeden ważny aspekt ewolucji — jak jednostki różnią się od siebie. W zwykłej ewolucji zmienność zachodzi na dwa sposoby. Pierwsza to rekombinacja płciowa, w której łączy się genotyp dwóch osobników. Drugi to mutacja, w której losowe zmiany zachodzą w genotypie podczas procesu rozrodczego.

Alvarez-Rodriguez i spółka stosują ten drugi typ wariacji w swoim świecie kwantowym. Kiedy informacja kwantowa jest przekazywana z pokolenia na pokolenie, zespół wprowadza losową zmianę — w tym przypadku rotację stanu kwantowego. A to z kolei determinuje fenotyp i sposób interakcji z otoczeniem.

Więc to jest teoria. Sam eksperyment jest trudny, ponieważ komputery kwantowe są wciąż w powijakach. Niemniej jednak Alvarez-Rodriguez i spółka wykorzystali IBM QX, nadprzewodnikowy komputer kwantowy w T.J. Watson Laboratories, które firma udostępniła publicznie za pośrednictwem chmury. Firma twierdzi, że około 40 000 osób zarejestrowało się, aby korzystać z usługi i razem uruchomiło około 275 000 algorytmów kwantowych za pośrednictwem urządzenia.

Alvarez-Rodriguez i spółka wykorzystali pięciokubitową wersję maszyny, która uruchamia algorytmy kwantowe, które umożliwiają interakcje dwukubitowe. System nakłada jednak pewne ograniczenia na proces ewolucji, który zespół chce prowadzić. Na przykład nie pozwala, aby zmiany wprowadzane podczas procesu rozrodczego były losowe.

Zamiast tego zespół przeprowadza eksperyment kilka razy, wprowadzając w każdym przebiegu inną znaną rotację, a następnie wspólnie analizuje wyniki. W sumie przeprowadzają eksperyment tysiące razy, aby uzyskać dobre wyczucie wyników.

Ogólnie wyniki są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi z dużą wiernością. Eksperymenty odtwarzają charakterystyczne właściwości poszukiwanego scenariusza kwantowej selekcji naturalnej, mówią Alvarez-Rodriguez i spółka.

Zespół twierdzi, że mutacje mają istotny wpływ na wyniki: znacznie poprawiły wierność wyników algorytmu kwantowego. Nie różni się to tak bardzo od klasycznego świata, w którym mutacje pomagają gatunkom przystosować się do zmieniającego się środowiska.

Oczywiście istnieją ważne zastrzeżenia. Ograniczenia komputera kwantowego IBM rodzą ważne pytania o to, czy zespół naprawdę symulował ewolucję. Ale te problemy powinny zostać rozwiązane w najbliższej przyszłości.

Cała ta praca jest wynikiem długiej koncentracji zespołu na życiu kwantowym. W 2015 roku pisaliśmy o pracach zespołu nad symulacją życia kwantowego na klasycznym komputerze. Teraz zrobili pierwszy krok w testowaniu tych pomysłów na prawdziwym komputerze kwantowym.

A przyszłość rysuje się w jasnych barwach. Technologia komputerów kwantowych szybko się rozwija, co powinno umożliwić Alvarezowi-Rodriguezowi i spółce tworzenie życia kwantowego w bardziej złożonych środowiskach. Na przykład IBM ma 20-kubitowy procesor online i testuje wersję 50-kubitową.

Umożliwi to przeprowadzenie szeregu nowych eksperymentów z życiem kwantowym. Najbardziej oczywistą będzie zdolność form życia kwantowego do interakcji ze sobą i być może rozmnażania się poprzez rekombinację płciową – innymi słowy, poprzez łączenie elementów ich genotypów. Inną możliwością będzie umożliwienie poruszania się kwantowych form życia i zobaczenie, jak wpływa to na ich interakcje i zdolność do przetrwania.

To, co się pojawi, nie jest jasne. Ale Alvarez-Rodriguez i współpracownicy mają nadzieję, że ich kwantowe formy życia staną się ważnymi modelami do badania pojawiania się złożoności w świecie kwantowym.

Ostatecznie powinno to przyczynić się do naszego zrozumienia roli procesów kwantowych w formach życia opartych na węglu i pochodzenia samego życia. Dalsza debata będzie fascynująca do oglądania.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1711.09442 : Kwantowe sztuczne życie w komputerze kwantowym IBM

ukryć