Quantum Life sprider förveckling över generationer

Datavetare har länge vetat att evolution är en algoritmisk process som inte har mycket att göra med naturen hos de bestar den skapar. Istället består evolutionen av enkla steg som, när de upprepas många gånger, kan lösa problem av enorm komplexitet; problemet med att skapa den mänskliga hjärnan, till exempel, eller att bygga ett öga.

Och, förstås, problemet med att skapa liv. Sätt en evolutionär algoritm att fungera i en virtuell miljö och det tar inte lång tid att skapa livliknande organismer in silico som lever och reproducerar helt och hållet i en virtuell datorbaserad miljö.

Den här typen av liv är inte kolbaserat eller ens kiselbaserat. Det är ett fenomen av ren information. Men om informationens natur gör att evolutionsprocessen kan simuleras på en vanlig dator, varför inte också på en kvantdator? Det resulterande livet skulle existera i en virtuell kvantmiljö som styrs av kvantmekanikens bisarra lagar. Som sådan skulle det vara helt olik allt som biologer någonsin har stött på eller föreställt sig.

Men vilken form kan kvantliv ta? Idag får vi en inblick i denna fråga tack vare Unai Alvarez-Rodriguez' arbete och några kompisar vid universitetet i Baskien i Spanien. De har simulerat hur livet utvecklas i en kvantmiljö och använder detta för att föreslå hur det skulle kunna göras i en riktig kvantmiljö för första gången. Vi har utvecklat en kvantinformationsmodell för att efterlikna beteendet hos biologiska system inspirerade av det naturliga urvalets lagar, säger de.

Stegen som är involverade i evolutionen är välkända. Det börjar med en population av individer som kan fortplanta sig. Därefter måste det finnas en selektionsprocess som tillåter bättre anpassade individer att få fler avkommor än mindre välanpassade. Och det måste också finnas ett sätt att införa förändring mellan en generation och nästa genom slumpmässig mutation eller genom sexuell rekombination.

Den sista ingrediensen är iteration. När dessa steg upprepas under många otaliga generationer, är individerna som dyker upp de som har utvecklats för att överleva bäst i den givna miljön.

Åtminstone är det så det fungerar i den klassiska världen både i verkliga miljöer och i virtuella. Men kvantvärlden är annorlunda. Vid första anblicken är det inte helt klart hur något liknande kan inträffa i en kvantmiljö.

Men Alvarez-Rodriguez och co har utvecklat ett sätt att göra det. De börjar med att skapa kvantindivider som kan reproducera sig i en kvantmiljö.

Dessa varelser består av två delar. Den första spelar rollen som DNA; det är informationen som förs vidare från en generation till nästa. Den andra spelar rollen som varelsens kropp, det är den del som interagerar med miljön, åldras och så småningom dör. Dessa delar fungerar som en genotyp och fenotyp för organismen.

Varelserna kan föröka sig på två sätt. Den första är asexuell – kvant-DNA:t separeras från sin kropp och är sedan tillgänglig för att förenas med en annan kvantkropp för att skapa en ny individ. Det skapar en identisk kopia av originalet men mutationer kan uppstå med hjälp av fysiska processer som slumpmässigt förändrar kroppen mellan liv.

Det andra sättet är sexuell reproduktion. När två varelser möts, reproducerar de genom att byta ut kvant-DNA för att producera ett nytt genom som har inslag av båda. Detta är sedan tillgängligt att sammanfoga med en kropp för att skapa en organism med en helt ny genotyp.

Självklart är mekaniken som styr allt detta helt och hållet av kvanttyp. Operationen som överför information från en generation till nästa är en form av kvantkloning som överför informationen från en partikel till en annan. Mutation är en slags logisk operation, som en rotation, som ändrar kvantinformationen som en partikel bär på.

Den här typen av liv skulle ha några unika egenskaper. Trasslingen mellan olika individer gör att vi kan klona den klassiska informationen och sprida kvantkoherenserna för de initiala kvantlevande enheterna till de successiva generationerna, säger Alvarez-Rodriguez och co.

Med andra ord, kvantiteten går från en generation till nästa via kvantintrassling. Så varje individ och dess ättlingar delar ett kraftfullt band eftersom intrasslade partiklar faktiskt delar samma existens.

Men detta har viktiga beräkningsmässiga konsekvenser. Den resulterande simuleringen är så komplex att den bara kan göras på en klassisk dator under ett litet antal generationer och detta begränsar allvarligt vad som kan läras om kvantlivets natur.

Vad som behövs är naturligtvis en ren kvantmodell. Och här säger Alvarez-Rodriguez och co att detta borde vara möjligt med teknologier som är tillgängliga nu.

De påpekar att de enklaste typerna av kvantliv bara behöver bestå av två kvantbitar - en representerar genotypen och den andra representerar fenotypen. Dessa qubits behöver bara sammanfogas.

Detta borde vara relativt enkelt med fångade joner, till exempel, som fysiker har stor erfarenhet av att hantera. I detta fall kan kvantinformationen lagras i en jons olika energinivåer. Interaktionerna mellan joner och qubits de innehåller kan sedan förmedlas via logiska operationer som kombinerar dessa tillstånd, roterar dem, och så vidare. Liknande operationer är också möjliga med fotoner och supraledande qubits.

Det är ett intressant arbete med spännande potential. Vad som behövs nu är någon med en fångade jonanläggning eller en kvantoptikbänk och några lediga timmar för att leka med den här typen av modell. En sådan modell skulle kunna utforska hur kvantindivider utvecklas i specifika miljöer.

Ett sådant experiment har potential att förändra hur forskare tänker på livet och faktiskt kvantitet. Närhelst idén om kvantliv kommer upp, uppstår snart en enkel fråga. Det är så kvantlivsexperiment kan kasta ljus över själva livets ursprung.

Tanken om detta ämne förändras snabbt. Det var inte så länge sedan som biologer svor blinda att kvantprocesser aldrig skulle kunna spela en roll i livets mekanismer eller i dess ursprung.

Idag är de inte så säkra. Kvantprocesser verkar ligga i hjärtat av alla typer av biologiska fenomen som fotosyntes, vårt luktsinne och till och med fågelnavigering.

Endast en modig forskare skulle hävda att de inte kunde ha spelat en roll i livets uppkomst. Och det är ett sådant här arbete som kan hjälpa till att utforska denna viktiga fråga mer i detalj än någonsin tidigare.

Ref: arxiv.org/abs/1505.03775 : Artificiellt liv i Quantum Technologies

Dölj