Kvantu simulācija varētu izgaismot dzīvības izcelsmi

Kādu lomu dzīvības mehānismā spēlē kvantu mehānika? Neviens nav īsti pārliecināts, taču pēdējos gados fiziķi ir sākuši pētīt visa veida iespējas. Šajā procesā viņi ir savākuši pierādījumus, kas liecina, ka kvantu mehānikai ir svarīga loma fotosintēzē, putnu navigācijā un, iespējams, mūsu ožas sajūtā.

Pastāv pat spekulatīvas domas, ka kvantu procesi noteikti ir regulējuši pašas dzīvības izcelsmi un ģenētiskā koda formulējumu. Darbs, lai pētītu šos jautājumus, turpinās un ietver rūpīgu dzīvības molekulu novērošanu.

Bet ir vēl viens veids, kā pieiet šim jautājumam no apakšas uz augšu. Datorzinātnieki jau sen ir rotaļājušies ar mākslīgām dzīvības formām, kas veidotas no datora koda. Šis kods dzīvo uz silīciju balstītā ainavā, kur tā piemērotība tiek mērīta pēc dažiem atlases kritērijiem.

Kvantu evolūcijas process un mākslīgās kvantu dzīvības radīšana

Tas reproducē, apvienojot ar citu kodu vai mutējot savu kodu. Un vispiemērotākajam kodam ir vairāk pēcnācēju, bet vismazāk piemērotais mirst. Citiem vārdiem sakot, kods attīstās. Datorzinātnieki ir izmantojuši šo pieeju, lai pētītu dažādus dzīves aspektus, evolūciju un sarežģītības rašanos.

Šis ir pilnīgi klasisks process, kas seko parastajiem Ņūtona soļiem viens pēc otra. No otras puses, reālā pasaule ietver kvantu mehāniku un dīvainās parādības, ko tā pieļauj. Tā rodas jautājums, vai kvantu mehānikai var būt nozīme evolūcijā un pat pašas dzīvības izcelsmē.

Tātad svarīgs pirmais solis ir reproducēt šo evolūcijas procesu kvantu pasaulē, radot mākslīgas kvantu dzīvības formas. Bet vai tas ir iespējams?

Šodien mēs saņemam atbildi, pateicoties Unai Alvarez-Rodriguez un dažu draugu darbam Basku zemes Universitātē Spānijā. Šie puiši pirmo reizi ir radījuši mākslīgās dzīvības kvantu versiju. Un viņi saka, ka viņu rezultāti ir pirmie kvantu evolūcijas piemēri, kas ļauj fiziķiem izpētīt veidu, kā kvantu pasaulē rodas sarežģītība.

Eksperiments principā ir vienkāršs. Komanda domā, ka kvantu dzīve sastāv no divām daļām - genotipa un fenotipa. Tāpat kā uz oglekli balstīta dzīvība, kvantu genotips satur kvantu informāciju, kas raksturo indivīdu — tā ģenētisko kodu. Genotips ir kvantu dzīvības vienības daļa, kas tiek pārraidīta no vienas paaudzes uz nākamo.

No otras puses, fenotips ir genotipa izpausme, kas mijiedarbojas ar reālo pasauli - indivīda ķermeni. Šis stāvoklis kopā ar tajā kodēto informāciju tiek degradēts indivīda dzīves laikā, saka Alvaress-Rodrigezs un citi.

Tātad katra kvantu dzīvības vienība sastāv no diviem kubitiem - viens attēlo genotipu un otrs fenotipu. Mērķis ir reproducēt Darvina evolūcijas raksturīgos procesus, kas pielāgoti kvantu algoritmu un kvantu skaitļošanas valodai, saka komanda.

Pirmais solis evolūcijas procesā ir reprodukcija. Alvarez-Rodriguez un co to dara, izmantojot sapīšanās procesu, kas ļauj pārraidīt kvantu stāvokļus no viena objekta uz otru. Šajā gadījumā tie sapina kubitu genotipu ar tukšu stāvokli un pēc tam pārsūta tā kvantu informāciju.

Nākamais posms ir izdzīvošana, kas ir atkarīga no fenotipa. Alvarez-Rodriguez un co to dara, pārnesot genotipa stāvokļa aspektu uz citu tukšu stāvokli, kas kļūst par fenotipu. Pēc tam fenotips mijiedarbojas ar vidi un galu galā izkliedējas.

Šis process ir līdzvērtīgs novecošanai un miršanai, un tam nepieciešamais laiks ir atkarīgs no genotipa. Tie, kas dzīvo ilgāk, ir netieši labāk piemēroti viņu videi un tiek doti priekšroka nākamajā paaudzē.

Ir vēl viens svarīgs evolūcijas aspekts — kā indivīdi atšķiras viens no otra. Parastā evolūcijā variācijas notiek divos veidos. Pirmais ir ar seksuālās rekombinācijas palīdzību, kurā apvienojas divu indivīdu genotips. Otrais ir ar mutāciju, kur reproduktīvā procesa laikā notiek nejaušas izmaiņas genotipā.

Alvarez-Rodriguez un līdzinieki izmanto šo otrā veida variācijas savā kvantu pasaulē. Kad kvantu informācija tiek pārsūtīta no vienas paaudzes uz nākamo, komanda ievieš nejaušas izmaiņas - šajā gadījumā kvantu stāvokļa rotāciju. Un tas, savukārt, nosaka fenotipu un to, kā tas mijiedarbojas ar savu vidi.

Tātad tāda ir teorija. Pats eksperiments ir sarežģīts, jo kvantu datori joprojām ir sākuma stadijā. Tomēr Alvaress-Rodrigezs un citi ir izmantojuši IBM QX, supravadošu kvantu datoru IBM T.J. Watson Laboratories, ko uzņēmums ir padarījis publiski pieejamu, izmantojot mākoni. Uzņēmums apgalvo, ka aptuveni 40 000 personu ir pierakstījušies, lai izmantotu šo pakalpojumu, un kopā ar ierīci ir palaiduši aptuveni 275 000 kvantu algoritmu.

Alvarezs-Rodriguezs un citi izmantoja mašīnas piecu kubitu versiju, kas darbina kvantu algoritmus, kas nodrošina divu kubitu mijiedarbību. Tomēr sistēma uzliek dažus ierobežojumus evolūcijas procesam, ko komanda vēlas vadīt. Piemēram, tas neļauj reproduktīvā procesa laikā ieviestajām variācijām būt nejaušām.

Tā vietā komanda vairākas reizes veic eksperimentu, katrā piegājienā ieviešot atšķirīgu zināmu rotāciju, un pēc tam kopā aplūko rezultātus. Kopumā viņi eksperimentu veic tūkstošiem reižu, lai iegūtu labu priekšstatu par rezultātiem.

Kopumā rezultāti ar augstu precizitāti atbilst teorētiskajām prognozēm. Eksperimenti atveido meklētā kvantu dabiskās atlases scenārija raksturīgās īpašības, saka Alvarez-Rodriguez un co.

Un komanda saka, ka mutācijām ir būtiska ietekme uz rezultātiem: [Tās] ievērojami uzlaboja kvantu algoritma rezultāta precizitāti. Tas tik ļoti neatšķiras no klasiskās pasaules, kur mutācijas palīdz sugām pielāgoties mainīgajai videi.

Protams, ir svarīgi brīdinājumi. IBM kvantu datora ierobežojumi rada svarīgus jautājumus par to, vai komanda patiešām ir simulējusi evolūciju. Taču tuvākajā laikā šie jautājumi būtu jāatrisina.

Viss šis darbs ir komandas ilgstošas ​​​​koncentrēšanās uz kvantu dzīvi rezultāts. 2015. gadā mēs ziņojām par komandas darbu kvantu dzīves simulēšanā klasiskajā datorā. Tagad viņi ir spēruši pirmo soli, pārbaudot šīs idejas reālā kvantu datorā.

Un nākotne izskatās gaiša. Kvantu datortehnoloģija strauji attīstās, un tam vajadzētu ļaut Alvaresam-Rodrigezam un citiem radīt kvantu dzīvi sarežģītākā vidē. Piemēram, IBM tiešsaistē ir 20 kubitu procesors, un tas testē 50 kubitu versiju.

Tas ļaus veikt dažādus jaunus eksperimentus par kvantu dzīvi. Visredzamākā būs kvantu dzīvības formu spēja mijiedarboties savā starpā un, iespējams, vairoties seksuālās rekombinācijas ceļā, citiem vārdiem sakot, apvienojot to genotipu elementus. Vēl viena iespēja būs ļaut kvantu dzīvības formām pārvietoties un redzēt, kā tas ietekmē to mijiedarbību un piemērotību izdzīvošanai.

Tikai tas, kas parādīsies, nav skaidrs. Taču Alvaress-Rodrigezs un citi cer, ka viņu kvantu dzīvības formas kļūs par svarīgiem modeļiem, lai izpētītu sarežģītības rašanos kvantu pasaulē.

Galu galā tam vajadzētu veicināt mūsu izpratni par kvantu procesu lomu uz oglekli balstītās dzīvības formās un pašas dzīvības izcelsmi. Sekojošās debates būs aizraujoši skatīties.

Atsauce: arxiv.org/abs/1711.09442 : kvantu mākslīgā dzīve IBM kvantu datorā

paslēpties