Kvantesimulering kunne kaste lys over livets oprindelse

Hvilken rolle spiller kvantemekanikken i livets maskineri? Ingen er helt sikre, men i de senere år er fysikere begyndt at undersøge alle mulige muligheder. I processen har de indsamlet beviser, der tyder på, at kvantemekanik spiller en vigtig rolle i fotosyntesen, i fugles navigation og måske i vores lugtesans.

Der er endda en spekulativ tankegang om, at kvanteprocesser må have styret selve livets oprindelse og formuleringen af ​​den genetiske kode. Arbejdet med at studere disse spørgsmål er i gang og involverer omhyggelig observation af livets molekyler.

Men der er en anden måde at nærme sig dette spørgsmål fra bunden op. Dataloger har længe leget med kunstige livsformer bygget af computerkode. Denne kode lever i et siliciumbaseret landskab, hvor dens kondition måles ud fra nogle udvælgelseskriterier.

Processen med kvanteevolution og skabelsen af ​​kunstigt kvanteliv

Den reproducerer ved at kombinere med anden kode eller ved mutation af sin egen kode. Og den stærkeste kode har flere afkom, mens den mindst velegnede dør. Med andre ord udvikler koden sig. Dataloger har brugt denne tilgang til at studere forskellige aspekter af livet, evolutionen og fremkomsten af ​​kompleksitet.

Dette er en helt klassisk proces, der følger almindelige Newtonske trin, det ene efter det andet. Den virkelige verden indeholder på den anden side kvantemekanik og de mærkelige fænomener, som den tillader. Det er sådan, spørgsmålet opstår, om kvantemekanikken kan spille en rolle i evolutionen og endda i selve livets oprindelse.

Så et vigtigt første skridt er at reproducere denne udviklingsproces i kvanteverdenen og skabe kunstige kvantelivsformer. Men er dette muligt?

I dag får vi et svar takket være Unai Alvarez-Rodriguez' arbejde og et par venner ved universitetet i Baskerlandet i Spanien. Disse fyre har skabt en kvanteversion af kunstigt liv for første gang. Og de siger, at deres resultater er de første eksempler på kvanteevolution, der gør det muligt for fysikere at udforske måden kompleksitet opstår i kvanteverdenen.

Eksperimentet er i princippet enkelt. Holdet tænker på kvanteliv som bestående af to dele - en genotype og en fænotype. Ligesom med kulstofbaseret liv, indeholder kvantegenotypen den kvanteinformation, der beskriver individet - dets genetiske kode. Genotypen er den del af kvantelivsenheden, der overføres fra en generation til den næste.

Fænotypen er på den anden side manifestationen af ​​genotypen, der interagerer med den virkelige verden – individets krop. Denne tilstand, sammen med den information, den koder, forringes i løbet af individets levetid, siger Alvarez-Rodriguez og co.

Så hver enhed af kvanteliv består af to qubits - den ene repræsenterer genotypen og den anden fænotypen. Målet er at reproducere de karakteristiske processer af darwinistisk evolution, tilpasset til sproget i kvantealgoritmer og kvantecomputere, siger holdet.

Det første trin i den evolutionære proces er reproduktion. Alvarez-Rodriguez og co gør dette ved hjælp af sammenfiltringsprocessen, som tillader overførsel af kvantetilstande fra et objekt til et andet. I dette tilfælde sammenfiltrer de genotypen qubit med en tom tilstand og overfører derefter dens kvanteinformation.

Den næste fase er overlevelse, som afhænger af fænotypen. Alvarez-Rodriguez og co gør dette ved at overføre et aspekt af genotypetilstanden til en anden blank tilstand, som bliver til fænotypen. Fænotypen interagerer derefter med miljøet og forsvinder til sidst.

Denne proces svarer til aldring og døende, og den tid, det tager, afhænger af genotypen. Dem, der lever længere, er implicit bedre egnet til deres miljø og reproduceres fortrinsvis i næste generation.

Der er et andet vigtigt aspekt af evolution – hvordan individer adskiller sig fra hinanden. I almindelig evolution sker variation på to måder. Den første er gennem seksuel rekombination, hvor genotypen fra to individer kombineres. Den anden er ved mutation, hvor der sker tilfældige ændringer i genotypen under reproduktionsprocessen.

Alvarez-Rodriguez og co anvender denne anden type variation i deres kvanteverden. Når kvanteinformationen overføres fra en generation til den næste, introducerer holdet en tilfældig ændring - i dette tilfælde en rotation af kvantetilstanden. Og dette bestemmer til gengæld fænotypen, og hvordan den interagerer med sit miljø.

Så det er teorien. Selve eksperimentet er vanskeligt, fordi kvantecomputere stadig er i deres vorden. Ikke desto mindre har Alvarez-Rodriguez og co gjort brug af IBM QX, en superledende kvantecomputer hos IBM's T.J. Watson Laboratories, som virksomheden har gjort offentligt tilgængelige via skyen. Virksomheden hævder, at omkring 40.000 personer har tilmeldt sig for at bruge tjenesten og tilsammen har kørt omkring 275.000 kvantealgoritmer gennem enheden.

Alvarez-Rodriguez og co brugte fem-qubit-versionen af ​​maskinen, som kører kvantealgoritmer, der tillader to-qubit-interaktioner. Systemet pålægger dog nogle begrænsninger for den udviklingsproces, som teamet ønsker at køre. For eksempel tillader det ikke de variationer, der indføres under reproduktionsprocessen, at være tilfældige.

I stedet kører holdet eksperimentet flere gange, introducerer en anden kendt rotation i hver kørsel og ser derefter på resultaterne sammen. I alt kører de eksperimentet tusindvis af gange for at få en god fornemmelse af resultaterne.

Generelt matcher resultaterne de teoretiske forudsigelser med høj troværdighed. Eksperimenterne gengiver de karakteristiske egenskaber for det eftersøgte kvantenaturudvælgelsesscenarie, siger Alvarez-Rodriguez og co.

Og holdet siger, at mutationerne har en vigtig indflydelse på resultaterne: [De] forbedrede væsentligt pålideligheden af ​​kvantealgoritmens resultat. Det er ikke så forskelligt fra den klassiske verden, hvor mutationer hjælper arter med at tilpasse sig skiftende miljøer.

Selvfølgelig er der vigtige forbehold. Begrænsningerne ved IBMs kvantecomputer rejser vigtige spørgsmål om, hvorvidt holdet virkelig har simuleret evolution. Men disse problemer bør rettes op i den nærmeste fremtid.

Alt dette arbejde er resultatet af teamets lange fokus på kvanteliv. Tilbage i 2015 rapporterede vi om holdets arbejde med at simulere kvanteliv på en klassisk computer. Nu har de taget det første skridt i at teste disse ideer på en rigtig kvantecomputer.

Og fremtiden ser lys ud. Kvantecomputerteknologien udvikler sig hurtigt, hvilket skulle give Alvarez-Rodriguez og co mulighed for at skabe kvanteliv i mere komplekse miljøer. IBM har for eksempel en 20-qubit-processor online og tester en 50-qubit-version.

Det vil muliggøre en række nye eksperimenter med kvanteliv. Den mest åbenlyse vil omfatte evnen for kvantelivsformer til at interagere med hinanden og måske reproducere ved seksuel rekombination - med andre ord ved at kombinere elementer af deres genotyper. En anden mulighed vil være at lade kvantelivsformerne bevæge sig og se, hvordan dette påvirker deres interaktioner og egnethed til overlevelse.

Hvad der vil dukke op, er ikke klart. Men Alvarez-Rodriguez og co håber, at deres kvantelivsformer vil blive vigtige modeller for at udforske fremkomsten af ​​kompleksitet i kvanteverdenen.

I sidste ende skulle det bidrage til vores forståelse af kvanteprocessernes rolle i kulstofbaserede livsformer og selve livets oprindelse. Den efterfølgende debat bliver fascinerende at se.

Ref: arxiv.org/abs/1711.09442 : Quantum Artificial Life in a IBM Quantum Computer

skjule