211service.com
Kvantesimulering kan kaste lys over livets opprinnelse
Hvilken rolle spiller kvantemekanikk i livets maskineri? Ingen er helt sikre, men de siste årene har fysikere begynt å undersøke alle slags muligheter. I prosessen har de samlet bevis som tyder på at kvantemekanikk spiller en viktig rolle i fotosyntesen, i fuglenes navigering og kanskje i luktesansen vår.
Det er til og med en spekulativ tankegang om at kvanteprosesser må ha styrt opprinnelsen til selve livet og formuleringen av den genetiske koden. Arbeidet med å studere disse spørsmålene pågår og innebærer nøye observasjon av livets molekyler.
Men det er en annen måte å nærme seg dette spørsmålet fra bunnen og opp. Dataforskere har lenge lekt med kunstige livsformer bygget av datakode. Denne koden lever i et silisiumbasert landskap der kondisjonen måles mot noen utvalgskriterier.
Prosessen med kvanteevolusjon og skapelsen av kunstig kvanteliv
Den reproduserer ved å kombinere med annen kode eller ved mutasjon av sin egen kode. Og den sterkeste koden har flere avkom mens de minst spreke dør bort. Med andre ord, koden utvikler seg. Dataforskere har brukt denne tilnærmingen til å studere ulike aspekter av livet, evolusjonen og fremveksten av kompleksitet.
Dette er en helt klassisk prosess som følger vanlige Newtonske trinn, etter hverandre. Den virkelige verden, derimot, inkluderer kvantemekanikk og de merkelige fenomenene den tillater. Det er slik spørsmålet oppstår om kvantemekanikk kan spille en rolle i evolusjon og til og med i selve livets opprinnelse.
Så et viktig første skritt er å reprodusere denne evolusjonsprosessen i kvanteverdenen, og skape kunstige kvantelivsformer. Men er dette mulig?
I dag får vi svar takket være arbeidet til Unai Alvarez-Rodriguez og noen få venner ved Universitetet i Baskerland i Spania. Disse gutta har laget en kvanteversjon av kunstig liv for første gang. Og de sier resultatene deres er de første eksemplene på kvanteevolusjon som lar fysikere utforske måten kompleksitet oppstår i kvanteverdenen.
Eksperimentet er i prinsippet enkelt. Teamet tenker på kvanteliv som bestående av to deler - en genotype og en fenotype. Akkurat som med karbonbasert liv, inneholder kvantegenotypen kvanteinformasjonen som beskriver individet - dets genetiske kode. Genotypen er den delen av kvantelivsenheten som overføres fra en generasjon til den neste.
Fenotypen er derimot manifestasjonen av genotypen som samhandler med den virkelige verden – individets kropp. Denne tilstanden, sammen med informasjonen den koder, forringes i løpet av individets levetid, sier Alvarez-Rodriguez og co.
Så hver enhet av kvanteliv består av to qubits - den ene representerer genotypen og den andre fenotypen. Målet er å reprodusere de karakteristiske prosessene til darwinistisk evolusjon, tilpasset språket til kvantealgoritmer og kvanteberegning, sier teamet.
Det første trinnet i den evolusjonære prosessen er reproduksjon. Alvarez-Rodriguez og co gjør dette ved å bruke prosessen med sammenfiltring, som tillater overføring av kvantetilstander fra ett objekt til et annet. I dette tilfellet vikler de genotypen qubit med en tom tilstand, og overfører deretter kvanteinformasjonen.
Det neste stadiet er overlevelse, som avhenger av fenotypen. Alvarez-Rodriguez og co gjør dette ved å overføre et aspekt av genotypetilstanden til en annen blank tilstand, som blir fenotypen. Fenotypen samhandler deretter med miljøet og forsvinner til slutt.
Denne prosessen tilsvarer aldring og døende, og tiden det tar avhenger av genotypen. De som lever lenger er implisitt bedre egnet til miljøet og reproduseres fortrinnsvis i neste generasjon.
Det er et annet viktig aspekt ved evolusjon - hvordan individer skiller seg fra hverandre. I vanlig evolusjon skjer variasjon på to måter. Den første er gjennom seksuell rekombinasjon, hvor genotypen fra to individer kombineres. Den andre er ved mutasjon, hvor tilfeldige endringer skjer i genotypen under reproduksjonsprosessen.
Alvarez-Rodriguez og co bruker denne andre typen variasjon i deres kvanteverden. Når kvanteinformasjonen overføres fra en generasjon til den neste, introduserer teamet en tilfeldig endring - i dette tilfellet en rotasjon av kvantetilstanden. Og dette bestemmer i sin tur fenotypen og hvordan den samhandler med omgivelsene.
Så det er teorien. Selve eksperimentet er vanskelig fordi kvantedatamaskiner fortsatt er i sin spede begynnelse. Alvarez-Rodriguez og co har likevel benyttet seg av IBM QX, en superledende kvantedatamaskin hos IBMs T.J. Watson Laboratories som selskapet har gjort offentlig tilgjengelig via skyen. Selskapet hevder at rundt 40 000 personer har registrert seg for å bruke tjenesten og til sammen har kjørt rundt 275 000 kvantealgoritmer gjennom enheten.
Alvarez-Rodriguez og co brukte fem-qubit-versjonen av maskinen, som kjører kvantealgoritmer som tillater to-qubit-interaksjoner. Systemet legger imidlertid noen begrensninger på utviklingsprosessen som teamet ønsker å kjøre. For eksempel tillater det ikke at variasjonene som introduseres under reproduksjonsprosessen er tilfeldige.
I stedet kjører teamet eksperimentet flere ganger, introduserer en annen kjent rotasjon i hver kjøring, og ser deretter på resultatene sammen. Totalt kjører de eksperimentet tusenvis av ganger for å få en god følelse av resultatene.
Generelt samsvarer resultatene med de teoretiske spådommene med høy kvalitet. Eksperimentene gjengir de karakteristiske egenskapene til det ettersøkte kvantenaturseleksjonsscenariet, sier Alvarez-Rodriguez og co.
Og teamet sier at mutasjonene har en viktig innvirkning på resultatene: [De] forbedret kvaliteten på kvantealgoritmens resultat betydelig. Det er ikke så forskjellig fra den klassiske verden, der mutasjoner hjelper arter med å tilpasse seg skiftende miljøer.
Selvfølgelig er det viktige forbehold. Begrensningene til IBMs kvantedatamaskin reiser viktige spørsmål om teamet virkelig har simulert evolusjon. Men disse problemene bør løses i nær fremtid.
Alt dette arbeidet er resultatet av teamets lange fokus på kvanteliv. Tilbake i 2015 rapporterte vi om teamets arbeid med å simulere kvanteliv på en klassisk datamaskin. Nå har de tatt første steg i å teste disse ideene på en ekte kvantedatamaskin.
Og fremtiden ser lys ut. Kvantedatateknologien går raskt fremover, noe som bør tillate Alvarez-Rodriguez og co å skape kvanteliv i mer komplekse miljøer. IBM har for eksempel en 20-qubit-prosessor på nett og tester en 50-qubit-versjon.
Det vil muliggjøre en rekke nye eksperimenter på kvanteliv. Det mest åpenbare vil inkludere evnen for kvantelivsformer til å samhandle med hverandre og kanskje reprodusere ved seksuell rekombinasjon - med andre ord ved å kombinere elementer av deres genotyper. En annen mulighet vil være å la kvantelivsformene bevege seg og se hvordan dette påvirker deres interaksjoner og egnethet til å overleve.
Akkurat hva som vil dukke opp er ikke klart. Men Alvarez-Rodriguez og co håper deres kvantelivsformer vil bli viktige modeller for å utforske fremveksten av kompleksitet i kvanteverdenen.
Til slutt bør det bidra til vår forståelse av rollen til kvanteprosesser i karbonbaserte livsformer og opprinnelsen til selve livet. Den påfølgende debatten vil være fascinerende å se.
Ref: arxiv.org/abs/1711.09442 : Quantum Artificial Life in a IBM Quantum Computer