211service.com
Kwantumsimulatie kan licht werpen op de oorsprong van het leven
Welke rol speelt de kwantummechanica in de machinerie van het leven? Niemand weet het helemaal zeker, maar de laatste jaren zijn natuurkundigen begonnen met het onderzoeken van allerlei mogelijkheden. Daarbij hebben ze bewijs verzameld dat suggereert dat de kwantummechanica een belangrijke rol speelt bij de fotosynthese, bij de navigatie van vogels en misschien ook bij ons reukvermogen.
Er is zelfs een speculatieve gedachtegang dat kwantumprocessen de oorsprong van het leven zelf en de formulering van de genetische code moeten hebben bepaald. Het werk om deze vragen te bestuderen is aan de gang en omvat een zorgvuldige observatie van de moleculen van het leven.
Maar er is een andere manier om deze vraag van onderaf te benaderen. Computerwetenschappers spelen al lang met kunstmatige levensvormen die zijn opgebouwd uit computercode. Deze code leeft in een op silicium gebaseerd landschap waar de geschiktheid ervan wordt gemeten aan de hand van een aantal selectiecriteria.
Het proces van kwantumevolutie en het creëren van kunstmatig kwantumleven
Het reproduceert door te combineren met andere code of door de mutatie van zijn eigen code. En de meest fitte code heeft meer nakomelingen, terwijl de minst fitte sterft. Met andere woorden, de code evolueert. Computerwetenschappers hebben deze benadering gebruikt om verschillende aspecten van het leven, evolutie en het ontstaan van complexiteit te bestuderen.
Dit is een geheel klassiek proces dat de een na de ander de gewone Newtoniaanse stappen volgt. De echte wereld daarentegen omvat de kwantummechanica en de vreemde verschijnselen die het toelaat. Zo rijst de vraag of de kwantummechanica een rol kan spelen in de evolutie en zelfs in het ontstaan van het leven zelf.
Een belangrijke eerste stap is dus om dit evolutieproces in de kwantumwereld te reproduceren, door kunstmatige kwantumlevensvormen te creëren. Maar is dit mogelijk?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Unai Alvarez-Rodriguez en een paar vrienden aan de Universiteit van Baskenland in Spanje. Deze jongens hebben voor het eerst een kwantumversie van kunstmatig leven gemaakt. En ze zeggen dat hun resultaten de eerste voorbeelden zijn van kwantumevolutie waarmee natuurkundigen kunnen onderzoeken hoe complexiteit ontstaat in de kwantumwereld.
Het experiment is in principe eenvoudig. Het team denkt dat het kwantumleven uit twee delen bestaat: een genotype en een fenotype. Net als bij op koolstof gebaseerd leven, bevat het kwantumgenotype de kwantuminformatie die het individu beschrijft - zijn genetische code. Het genotype is het deel van de kwantumlevenseenheid dat van de ene generatie op de andere wordt overgedragen.
Het fenotype daarentegen is de manifestatie van het genotype dat interageert met de echte wereld - het lichaam van het individu. Deze toestand, samen met de informatie die het codeert, wordt afgebroken tijdens het leven van het individu, zeggen Alvarez-Rodriguez en co.
Dus elke eenheid van kwantumleven bestaat uit twee qubits: de ene vertegenwoordigt het genotype en de andere het fenotype. Het doel is om de karakteristieke processen van de darwinistische evolutie te reproduceren, aangepast aan de taal van kwantumalgoritmen en kwantumcomputing, aldus het team.
De eerste stap in het evolutieproces is reproductie. Alvarez-Rodriguez en co doen dit met behulp van het proces van verstrengeling, dat de overdracht van kwantumtoestanden van het ene object naar het andere mogelijk maakt. In dit geval verstrengelen ze de genotype-qubit met een lege toestand en dragen vervolgens de kwantuminformatie over.
De volgende fase is overleving, die afhangt van het fenotype. Alvarez-Rodriguez en co doen dit door een aspect van de genotypetoestand over te dragen naar een andere blanco toestand, die het fenotype wordt. Het fenotype interageert vervolgens met de omgeving en verdwijnt uiteindelijk.
Dit proces staat gelijk aan veroudering en doodgaan, en de tijd die het kost hangt af van het genotype. Degenen die langer leven, zijn impliciet beter aangepast aan hun omgeving en worden bij voorkeur gereproduceerd in de volgende generatie.
Er is nog een belangrijk aspect van evolutie: hoe individuen van elkaar verschillen. In de gewone evolutie vindt variatie op twee manieren plaats. De eerste is door seksuele recombinatie, waarbij het genotype van twee individuen combineert. De tweede is door mutatie, waarbij willekeurige veranderingen in het genotype optreden tijdens het voortplantingsproces.
Alvarez-Rodriguez en co gebruiken dit tweede type variatie in hun kwantumwereld. Wanneer de kwantuminformatie van de ene generatie naar de volgende wordt overgedragen, introduceert het team een willekeurige verandering - in dit geval een rotatie van de kwantumtoestand. En dit bepaalt op zijn beurt het fenotype en hoe het interageert met zijn omgeving.
Dus dat is de theorie. Het experiment zelf is lastig omdat kwantumcomputers nog in de kinderschoenen staan. Desalniettemin hebben Alvarez-Rodriguez en co gebruik gemaakt van de IBM QX, een supergeleidende kwantumcomputer bij IBM's T.J. Watson Laboratories dat het bedrijf via de cloud openbaar toegankelijk heeft gemaakt. Het bedrijf beweert dat ongeveer 40.000 personen zich hebben aangemeld om de service te gebruiken en samen zo'n 275.000 kwantumalgoritmen door het apparaat hebben uitgevoerd.
Alvarez-Rodriguez en co gebruikten de vijf-qubit-versie van de machine, die kwantumalgoritmen uitvoert die interacties van twee qubits mogelijk maken. Het systeem legt echter enkele beperkingen op aan het evolutieproces dat het team wil uitvoeren. Het staat bijvoorbeeld niet toe dat de variaties die tijdens het voortplantingsproces worden geïntroduceerd willekeurig zijn.
In plaats daarvan voert het team het experiment meerdere keren uit, introduceert een andere bekende rotatie in elke run, en bekijkt vervolgens samen de resultaten. In totaal voeren ze het experiment duizenden keren uit om een goed beeld te krijgen van de resultaten.
Over het algemeen komen de resultaten met hoge betrouwbaarheid overeen met de theoretische voorspellingen. De experimenten reproduceren de karakteristieke eigenschappen van het gezochte scenario voor natuurlijke selectie van kwantum, zeggen Alvarez-Rodriguez en co.
En het team zegt dat de mutaties een belangrijke impact hebben op de resultaten: [Ze] hebben de betrouwbaarheid van de uitkomst van het kwantumalgoritme aanzienlijk verbeterd. Dat is niet zo anders dan in de klassieke wereld, waar mutaties soorten helpen zich aan te passen aan veranderende omgevingen.
Natuurlijk zijn er belangrijke kanttekeningen. De beperkingen van IBM's kwantumcomputer roepen belangrijke vragen op over de vraag of het team echt evolutie heeft gesimuleerd. Maar deze problemen moeten in de nabije toekomst worden gladgestreken.
Al dit werk is het resultaat van de lange focus van het team op het kwantumleven. In 2015 rapporteerden we over het werk van het team om het kwantumleven op een klassieke computer te simuleren. Nu hebben ze de eerste stap gezet om deze ideeën te testen op een echte kwantumcomputer.
En de toekomst ziet er rooskleurig uit. De kwantumcomputertechnologie vordert snel, wat Alvarez-Rodriguez en co in staat zou moeten stellen om kwantumleven te creëren in complexere omgevingen. IBM heeft bijvoorbeeld een processor van 20 qubit online en test een versie van 50 qubit.
Dat maakt allerlei nieuwe experimenten met kwantumleven mogelijk. Het meest voor de hand liggende is het vermogen van kwantumlevensvormen om met elkaar in wisselwerking te staan en zich misschien voort te planten door seksuele recombinatie, met andere woorden, door elementen van hun genotypen te combineren. Een andere mogelijkheid is om de kwantumlevensvormen te laten bewegen en te zien hoe dit hun interacties en overlevingsgeschiktheid beïnvloedt.
Wat er precies zal verschijnen, is niet duidelijk. Maar Alvarez-Rodriguez en co hopen dat hun kwantumlevensvormen belangrijke modellen zullen worden voor het verkennen van de opkomst van complexiteit in de kwantumwereld.
Uiteindelijk zou dat moeten bijdragen aan ons begrip van de rol van kwantumprocessen in op koolstof gebaseerde levensvormen en de oorsprong van het leven zelf. Het daaropvolgende debat zal boeiend zijn om naar te kijken.
Referentie: arxiv.org/abs/1711.09442 : Quantum Artificial Life in een IBM Quantum Computer