Kvantsimulering kan kasta ljus över livets ursprung

Vilken roll spelar kvantmekaniken i livets maskineri? Ingen är helt säker, men på senare år har fysiker börjat undersöka alla möjliga möjligheter. I processen har de samlat bevis som tyder på att kvantmekaniken spelar en viktig roll i fotosyntesen, i fågelnavigering och kanske i vårt luktsinne.

Det finns till och med en spekulativ tankegång om att kvantprocesser måste ha styrt själva livets ursprung och formuleringen av den genetiska koden. Arbetet med att studera dessa frågor pågår och innebär noggrann observation av livets molekyler.

Men det finns ett annat sätt att närma sig denna fråga från botten och upp. Datavetare har länge lekt med konstgjorda livsformer byggda av datorkod. Denna kod lever i ett kiselbaserat landskap där dess kondition mäts mot vissa urvalskriterier.

Processen med kvantevolution och skapandet av artificiellt kvantliv

Den reproducerar sig genom att kombinera med annan kod eller genom mutation av sin egen kod. Och den starkaste koden får fler avkommor medan den minst vältränade dör bort. Med andra ord, koden utvecklas. Datavetare har använt denna metod för att studera olika aspekter av livet, evolutionen och uppkomsten av komplexitet.

Detta är en helt klassisk process som följer vanliga Newtonska steg, efter varandra. Den verkliga världen innehåller å andra sidan kvantmekaniken och de konstiga fenomen som den tillåter. Det är så frågan uppstår om kvantmekaniken kan spela en roll i evolutionen och till och med i själva livets uppkomst.

Så ett viktigt första steg är att reproducera denna utvecklingsprocess i kvantvärlden och skapa konstgjorda kvantlivsformer. Men är detta möjligt?

Idag får vi ett svar tack vare Unai Alvarez-Rodriguez' arbete och några kompisar vid universitetet i Baskien i Spanien. Dessa killar har skapat en kvantversion av artificiellt liv för första gången. Och de säger att deras resultat är de första exemplen på kvantutveckling som gör det möjligt för fysiker att utforska hur komplexitet uppstår i kvantvärlden.

Experimentet är i princip enkelt. Teamet tänker på att kvantliv består av två delar - en genotyp och en fenotyp. Precis som med kolbaserat liv innehåller kvantgenotypen den kvantinformation som beskriver individen – dess genetiska kod. Genotypen är den del av kvantlivsenheten som överförs från en generation till nästa.

Fenotypen, å andra sidan, är manifestationen av genotypen som interagerar med den verkliga världen – individens kropp. Detta tillstånd, tillsammans med informationen det kodar, försämras under individens livstid, säger Alvarez-Rodriguez och co.

Så varje enhet av kvantliv består av två qubits - en representerar genotypen och den andra fenotypen. Målet är att reproducera de karakteristiska processerna för darwinistisk evolution, anpassade till språket för kvantalgoritmer och kvantberäkningar, säger teamet.

Det första steget i den evolutionära processen är reproduktion. Alvarez-Rodriguez och co gör detta med hjälp av intrasslingsprocessen, som tillåter överföring av kvanttillstånd från ett objekt till ett annat. I det här fallet intrasslar de genotypen qubit med ett tomt tillstånd och överför sedan dess kvantinformation.

Nästa steg är överlevnad, vilket beror på fenotypen. Alvarez-Rodriguez och co gör detta genom att överföra en aspekt av genotyptillståndet till ett annat tomt tillstånd, som blir fenotypen. Fenotypen interagerar sedan med omgivningen och försvinner så småningom.

Denna process motsvarar att åldras och dö, och den tid det tar beror på genotypen. De som lever längre är implicit bättre lämpade för sin miljö och reproduceras företrädesvis i nästa generation.

Det finns en annan viktig aspekt av evolutionen – hur individer skiljer sig från varandra. I vanlig evolution sker variation på två sätt. Den första är genom sexuell rekombination, där genotypen från två individer kombineras. Den andra är genom mutation, där slumpmässiga förändringar sker i genotypen under reproduktionsprocessen.

Alvarez-Rodriguez och co använder denna andra typ av variation i sin kvantvärld. När kvantinformationen överförs från en generation till nästa introducerar teamet en slumpmässig förändring - i detta fall en rotation av kvanttillståndet. Och detta bestämmer i sin tur fenotypen och hur den interagerar med sin omgivning.

Så det är teorin. Experimentet i sig är knepigt eftersom kvantdatorer fortfarande är i sin linda. Ändå har Alvarez-Rodriguez och co använt sig av IBM QX, en supraledande kvantdator på IBM:s T.J. Watson Laboratories som företaget har gjort offentligt tillgängliga via molnet. Företaget hävdar att cirka 40 000 individer har registrerat sig för att använda tjänsten och tillsammans har kört cirka 275 000 kvantalgoritmer genom enheten.

Alvarez-Rodriguez och co använde fem-qubit-versionen av maskinen, som kör kvantalgoritmer som tillåter två-qubit-interaktioner. Systemet sätter dock vissa begränsningar på den utvecklingsprocess som teamet vill köra. Till exempel tillåter det inte att variationerna som introduceras under reproduktionsprocessen är slumpmässiga.

Istället kör teamet experimentet flera gånger, introducerar en annan känd rotation i varje körning och tittar sedan på resultaten tillsammans. Totalt kör de experimentet tusentals gånger för att få en bra uppfattning om resultaten.

Generellt sett matchar resultaten de teoretiska förutsägelserna med hög trohet. Experimenten återger de karakteristiska egenskaperna hos det eftersökta kvantnaturselektionsscenariot, säger Alvarez-Rodriguez och co.

Och teamet säger att mutationerna har en viktig inverkan på resultaten: [De] förbättrade avsevärt troheten för kvantalgoritmens resultat. Det skiljer sig inte så mycket från den klassiska världen, där mutationer hjälper arter att anpassa sig till föränderliga miljöer.

Naturligtvis finns det viktiga varningar. Begränsningarna hos IBM:s kvantdator väcker viktiga frågor om huruvida teamet verkligen har simulerat evolution. Men dessa frågor bör lösas inom en snar framtid.

Allt detta arbete är resultatet av teamets långa fokus på kvantliv. Redan 2015 rapporterade vi om lagets arbete med att simulera kvantliv på en klassisk dator. Nu har de tagit första steget i att testa dessa idéer på en riktig kvantdator.

Och framtiden ser ljus ut. Kvantdatortekniken går snabbt framåt, vilket borde göra det möjligt för Alvarez-Rodriguez och co att skapa kvantliv i mer komplexa miljöer. IBM har till exempel en 20-qubit-processor online och testar en 50-qubit-version.

Det kommer att möjliggöra en mängd nya experiment på kvantliv. Den mest uppenbara kommer att inkludera förmågan för kvantlivsformer att interagera med varandra och kanske reproducera sig genom sexuell rekombination – med andra ord genom att kombinera delar av deras genotyper. En annan möjlighet är att tillåta kvantlivsformerna att röra sig och se hur detta påverkar deras interaktioner och förmåga att överleva.

Vad som kommer att dyka upp är inte klart. Men Alvarez-Rodriguez och co hoppas att deras kvantlivsformer kommer att bli viktiga modeller för att utforska uppkomsten av komplexitet i kvantvärlden.

Så småningom borde det mata in vår förståelse av kvantprocessernas roll i kolbaserade livsformer och livets ursprung. Den efterföljande debatten kommer att bli fascinerande att se.

Ref: arxiv.org/abs/1711.09442 : Quantum Artificiellt liv i en IBM Quantum Computer

Dölj