Życie kwantowe rozprzestrzenia się na kolejne pokolenia

Informatycy od dawna wiedzą, że ewolucja to proces algorytmiczny, który ma niewiele wspólnego z naturą stworzonych przez nią bestii. Zamiast tego ewolucja składa się z prostych kroków, które powtarzane wiele razy mogą rozwiązać problemy o ogromnej złożoności; na przykład problem tworzenia ludzkiego mózgu lub budowania oka.

I oczywiście problem tworzenia życia. Umieść algorytm ewolucyjny, aby działał w środowisku wirtualnym, a stworzenie organizmów podobnych do życia nie trwa długo w silico które żyją i rozmnażają się całkowicie w wirtualnym środowisku komputerowym.

Ten rodzaj życia nie jest oparty na węglu ani nawet na krzemie. To fenomen czystej informacji. Ale jeśli natura informacji pozwala na symulację procesu ewolucji na zwykłym komputerze, to dlaczego nie również na komputerze kwantowym? Powstałe życie istniałoby w wirtualnym środowisku kwantowym, rządzonym przez dziwaczne prawa mechaniki kwantowej. Jako taka byłaby całkowicie niepodobna do niczego, co biolodzy kiedykolwiek napotkali lub sobie wyobrażali.

Ale jaką formę może przybrać życie kwantowe? Dziś mamy wgląd w to pytanie dzięki pracy Unai Alvarez-Rodrigueza i kilku kumpli z Uniwersytetu Kraju Basków w Hiszpanii. Zasymulowali ewolucję życia w środowisku kwantowym i wykorzystali to, aby po raz pierwszy zaproponować, jak można to zrobić w prawdziwym środowisku kwantowym. Mówią, że opracowaliśmy kwantowy model informacji naśladujący zachowanie systemów biologicznych inspirowany prawami doboru naturalnego.

Etapy ewolucji są dobrze znane. Zaczyna się od populacji osobników zdolnych do reprodukcji. Następnie musi nastąpić proces selekcji, który pozwoli lepiej przystosowanym osobnikom wydać więcej potomstwa niż mniej przystosowane. Musi również istnieć sposób na wprowadzenie zmiany między jednym pokoleniem a następnym poprzez losową mutację lub rekombinację płciową.

Ostatnim składnikiem jest iteracja. Kiedy te kroki są powtarzane przez wiele niezliczonych pokoleń, pojawiające się osobniki to te, które wyewoluowały, aby najlepiej przetrwać w danym środowisku.

Przynajmniej tak to działa w klasycznym świecie zarówno w środowiskach rzeczywistych, jak i wirtualnych. Ale świat kwantowy jest inny. Na pierwszy rzut oka nie jest do końca jasne, jak coś podobnego może wystąpić w środowisku kwantowym.

Ale Alvarez-Rodriguez i spółka opracowali na to sposób. Zaczynają od stworzenia jednostek kwantowych zdolnych do reprodukcji w środowisku kwantowym.

Te stworzenia składają się z dwóch części. Pierwszy odgrywa rolę DNA; jest to informacja przekazywana z pokolenia na pokolenie. Druga pełni rolę ciała stworzenia, jest częścią, która wchodzi w interakcję ze środowiskiem, starzeje się i ostatecznie umiera. Te części działają jak genotyp i fenotyp organizmu.

Stworzenia mogą się rozmnażać na dwa sposoby. Pierwszy jest bezpłciowy — kwantowe DNA oddziela się od swojego ciała i może następnie połączyć się z innym ciałem kwantowym, aby stworzyć nową osobę. To tworzy identyczną kopię oryginału, ale mutacje mogą wystąpić za pomocą procesów fizycznych, które losowo zmieniają ciało między życiami.

Drugi sposób to rozmnażanie płciowe. Kiedy spotykają się dwa stworzenia, rozmnażają się, wymieniając kwantowe DNA w celu wytworzenia nowego genomu zawierającego elementy obu. Jest on następnie dostępny do połączenia z ciałem w celu stworzenia organizmu o całkowicie nowym genotypie.

Oczywiście mechanika, która rządzi tym wszystkim, jest całkowicie kwantowa. Operacja przekazująca informacje z pokolenia na pokolenie jest formą klonowania kwantowego, które przenosi informacje z jednej cząstki na drugą. Mutacja jest rodzajem operacji logicznej, takiej jak rotacja, która zmienia informację kwantową przenoszoną przez cząstkę.

Takie życie miałoby jakieś wyjątkowe właściwości. Splątanie między różnymi osobnikami pozwala nam sklonować klasyczne informacje i propagować spójność kwantową początkowych żywych jednostek kwantowych w kolejnych pokoleniach, mówi Alvarez-Rodriguez i spółka.

Innymi słowy, kwantowość przechodzi z pokolenia na pokolenie poprzez splątanie kwantowe. Tak więc każda osoba i jej potomkowie mają silną więź, ponieważ splątane cząstki skutecznie dzielą tę samą egzystencję.

Ale ma to ważne konsekwencje obliczeniowe. Powstała symulacja jest tak złożona, że ​​można ją przeprowadzić na klasycznym komputerze tylko przez niewielką liczbę pokoleń, a to poważnie ogranicza to, czego można się dowiedzieć o naturze życia kwantowego.

Potrzebny jest oczywiście model czysto kwantowy. I tutaj Alvarez-Rodriguez i spółka twierdzą, że powinno to być możliwe dzięki technologiom, które są teraz dostępne.

Wskazują, że najprostsze rodzaje życia kwantowego muszą składać się tylko z dwóch kubitów — jednego reprezentującego genotyp, a drugiego reprezentującego fenotyp. Te kubity wystarczy połączyć.

Powinno to być stosunkowo proste w przypadku, na przykład, uwięzionych jonów, z którymi fizycy mają duże doświadczenie w radzeniu sobie. W takim przypadku informacja kwantowa może być przechowywana na różnych poziomach energii jonu. Interakcje między jonami i zawartymi w nich kubitami mogą być następnie za pośrednictwem operacji logicznych, które łączą te stany, obracają je i tak dalej. Podobne operacje są również możliwe w przypadku fotonów i kubitów nadprzewodzących.

To interesująca praca z ekscytującym potencjałem. Potrzebny jest teraz ktoś, kto dysponuje zapleczem uwięzionych jonów lub ławką do optyki kwantowej i kilkoma wolnymi godzinami na zabawę z tego rodzaju modelem. Taki model mógłby zbadać, w jaki sposób jednostki kwantowe ewoluują w określonych środowiskach.

Taki eksperyment może zmienić sposób myślenia naukowców o życiu, a nawet o kwantowości. Ilekroć pojawia się idea życia kwantowego, szybko pojawia się proste pytanie. W ten sposób eksperymenty z życiem kwantowym mogą rzucić światło na pochodzenie samego życia.

Myślenie na ten temat szybko się zmienia. Nie tak dawno biolodzy przysięgali na ślepo, że procesy kwantowe nigdy nie mogą odgrywać roli w mechanizmach życia ani w jego pochodzeniu.

Dziś nie są tacy pewni. Procesy kwantowe wydają się leżeć u podstaw wszelkiego rodzaju zjawisk biologicznych, takich jak fotosynteza, nasz zmysł węchu, a nawet nawigacja ptaków.

Tylko odważny badacz mógłby argumentować, że nie mogły odegrać roli w powstaniu życia. I to właśnie ta praca może pomóc w zbadaniu tego ważnego pytania bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1505.03775 : Sztuczne życie w technologiach kwantowych

ukryć