Quantum Life spreder forviklinger på tværs af generationer

Dataloger har længe vidst, at evolution er en algoritmisk proces, der ikke har meget at gøre med arten af ​​de dyr, den skaber. I stedet er evolution et sæt af simple trin, der, når de gentages mange gange, kan løse problemer af enorm kompleksitet; problemet med at skabe den menneskelige hjerne, for eksempel, eller at bygge et øje.

Og selvfølgelig problemet med at skabe liv. Sæt en evolutionær algoritme til at fungere i et virtuelt miljø, og det tager ikke lang tid at skabe livlignende organismer i silico der lever og reproducerer udelukkende i et virtuelt computerbaseret miljø.

Denne form for liv er ikke kulstofbaseret eller endda siliciumbaseret. Det er et fænomen af ​​ren information. Men hvis informationens natur gør det muligt at simulere evolutionsprocessen på en almindelig computer, hvorfor så ikke også på en kvantecomputer? Det resulterende liv ville eksistere i virtuelt kvantemiljø styret af kvantemekanikkens bizarre love. Som sådan ville det være fuldstændig ulig noget, som biologer nogensinde har stødt på eller forestillet sig.

Men hvilken form kan kvanteliv antage? I dag får vi et indblik i dette spørgsmål takket være Unai Alvarez-Rodriguez' arbejde og et par venner ved universitetet i Baskerlandet i Spanien. De har simuleret den måde, livet udvikler sig i et kvantemiljø og bruger dette til at foreslå, hvordan det kunne gøres i et rigtigt kvantemiljø for første gang. Vi har udviklet en kvanteinformationsmodel til at efterligne biologiske systemers adfærd inspireret af lovene for naturlig udvælgelse, siger de.

De trin, der er involveret i evolution, er velkendte. Det begynder med en population af individer, der er i stand til at reproducere. Dernæst skal der være en udvælgelsesproces, der gør det muligt for bedre tilpassede individer at producere flere afkom end mindre veltilpassede. Og der skal også være en måde at indføre forandringer mellem en generation og den næste gennem tilfældig mutation eller ved seksuel rekombination.

Den sidste ingrediens er iteration. Når disse trin gentages over mange utallige generationer, er de individer, der dukker op, dem, der har udviklet sig til at overleve bedst i det givne miljø.

Sådan fungerer det i hvert fald i den klassiske verden både i virkelige miljøer og i virtuelle. Men kvanteverdenen er anderledes. Ved første øjekast er det ikke helt klart, hvordan noget lignende kunne forekomme i et kvantemiljø.

Men Alvarez-Rodriguez og co har udviklet en måde at gøre det på. De starter med at skabe kvanteindivider, der er i stand til at formere sig i et kvantemiljø.

Disse væsner består af to dele. Den første spiller rollen som DNA; det er den information, der bliver givet videre fra den ene generation til den næste. Den anden spiller rollen som væsenets krop, det er den del, der interagerer med miljøet, ældes og til sidst dør. Disse dele fungerer som en genotype og fænotype for organismen.

Væsnerne kan formere sig på to måder. Den første er aseksuel - kvante-DNA'et adskiller sig fra sin krop og er derefter tilgængelig til at forbinde sig med en anden kvantekrop for at skabe et nyt individ. Det skaber en identisk kopi af originalen, men mutationer kan forekomme ved hjælp af fysiske processer, der tilfældigt ændrer kroppen mellem liv.

Den anden måde er seksuel reproduktion. Når to væsner mødes, formerer de sig ved at udveksle kvante-DNA for at producere et nyt genom, der har elementer af begge. Dette er så tilgængeligt at forbinde med en krop for at skabe en organisme med en helt ny genotype.

Selvfølgelig er mekanikken, der styrer alt dette, fuldstændig kvantemæssig. Operationen, der overfører information fra en generation til den næste, er en form for kvantekloning, der overfører informationen fra en partikel til en anden. Mutation er en slags logisk operation, ligesom en rotation, der ændrer den kvanteinformation en partikel bærer.

Denne form for liv ville have nogle unikke egenskaber. Sammenfiltringen mellem forskellige individer giver os mulighed for at klone den klassiske information og udbrede kvantekohærensen af ​​de indledende kvantelevenheder til de efterfølgende generationer, siger Alvarez-Rodriguez og co.

Kvanteheden går med andre ord fra en generation til den næste via kvantesammenfiltring. Så hvert individ og dets efterkommere deler et stærkt bånd, da sammenfiltrede partikler faktisk deler den samme eksistens.

Men dette har vigtige beregningsmæssige konsekvenser. Den resulterende simulering er så kompleks, at den kun kan udføres på en klassisk computer i et lille antal generationer, og dette begrænser i høj grad, hvad der kan læres om kvantelivets natur.

Det, der er brug for, er selvfølgelig en ren kvantemodel. Og her siger Alvarez-Rodriguez og co, at dette burde være muligt med teknologier, der er tilgængelige nu.

De påpeger, at de simpleste former for kvanteliv kun behøver at bestå af to qubits - den ene repræsenterer genotypen og den anden repræsenterer fænotypen. Disse qubits skal blot sættes sammen.

Dette burde være relativt ligetil med f.eks. fangede ioner, som fysikere har stor erfaring med at beskæftige sig med. I dette tilfælde kan kvanteinformationen lagres i en ions forskellige energiniveauer. Interaktionerne mellem ioner og de qubits, de indeholder, kan så medieres via logiske operationer, der kombinerer disse tilstande, roterer dem, og så videre. Lignende operationer er også mulige med fotoner og superledende qubits.

Det er et interessant arbejde med spændende potentiale. Det, der er brug for nu, er nogen med en fanget ion-facilitet eller en kvanteoptikbænk og et par timer til at lege med denne type model. En sådan model kunne udforske, hvordan kvanteindivider udvikler sig i specifikke miljøer.

Et sådant eksperiment har potentialet til at ændre den måde, forskere tænker på livet og faktisk kvante. Hver gang ideen om kvanteliv dukker op, opstår der hurtigt et simpelt spørgsmål. Det er sådan, kvantelivseksperimenter kan kaste lys over selve livets oprindelse.

Tankegangen om dette emne ændrer sig hurtigt. Det er ikke så længe siden, at biologer svor blinde, at kvanteprocesser aldrig kunne spille en rolle i livets mekanismer eller i dets oprindelse.

I dag er de ikke så sikre. Kvanteprocesser ser ud til at ligge i hjertet af alle former for biologiske fænomener såsom fotosyntese, vores lugtesans og endda fuglenavigation.

Kun en modig forsker vil hævde, at de ikke kunne have spillet en rolle i livets oprindelse. Og det er arbejde som dette, der kunne hjælpe med at udforske dette vigtige spørgsmål mere detaljeret end nogensinde før.

Ref: arxiv.org/abs/1505.03775 : Kunstigt liv i kvanteteknologier

skjule