211service.com
Quantum Life verspreidt verstrengeling over generaties
Computerwetenschappers weten al lang dat evolutie een algoritmisch proces is dat weinig te maken heeft met de aard van de beesten die het creëert. In plaats daarvan is evolutie een reeks eenvoudige stappen die, wanneer ze vele malen worden herhaald, problemen van immense complexiteit kunnen oplossen; het probleem van het creëren van het menselijk brein, bijvoorbeeld, of van het bouwen van een oog.
En natuurlijk het probleem van het creëren van leven. Zet een evolutionair algoritme aan het werk in een virtuele omgeving en het duurt niet lang om levensechte organismen te creëren in silico die volledig leven en reproduceren in een virtuele, computergebaseerde omgeving.
Dit soort leven is niet gebaseerd op koolstof of zelfs op silicium. Het is een fenomeen van pure informatie. Maar als de aard van informatie het mogelijk maakt om het evolutieproces op een gewone computer te simuleren, waarom dan niet ook op een kwantumcomputer? Het resulterende leven zou bestaan in een virtuele kwantumomgeving die wordt beheerst door de bizarre wetten van de kwantummechanica. Als zodanig zou het totaal anders zijn dan alles wat biologen ooit zijn tegengekomen of zich hebben voorgesteld.
Maar welke vorm zou het kwantumleven kunnen aannemen? Vandaag krijgen we inzicht in deze vraag dankzij het werk van Unai Alvarez-Rodriguez en een paar vrienden aan de Universiteit van Baskenland in Spanje. Ze hebben de manier waarop het leven evolueert in een kwantumomgeving gesimuleerd en gebruiken dit om voor te stellen hoe het voor het eerst in een echte kwantumomgeving kan worden gedaan. We hebben een kwantuminformatiemodel ontwikkeld om het gedrag van biologische systemen na te bootsen, geïnspireerd door de wetten van natuurlijke selectie, zeggen ze.
De stappen die betrokken zijn bij evolutie zijn bekend. Het begint met een populatie van individuen die zich kunnen voortplanten. Vervolgens moet er een selectieproces zijn waardoor beter aangepaste individuen meer nakomelingen kunnen produceren dan minder aangepaste. En er moet ook een manier zijn om verandering tussen de ene generatie en de volgende te introduceren door willekeurige mutatie of door seksuele recombinatie.
Het laatste ingrediënt is iteratie. Wanneer deze stappen over vele ontelbare generaties worden herhaald, zijn de individuen die tevoorschijn komen degenen die zijn geëvolueerd om het beste te overleven in de gegeven omgeving.
Tenminste, zo werkt het in de klassieke wereld, zowel in echte als in virtuele omgevingen. Maar de kwantumwereld is anders. Op het eerste gezicht is het niet helemaal duidelijk hoe iets soortgelijks kan gebeuren in een kwantumomgeving.
Maar Alvarez-Rodriguez en co hebben een manier ontwikkeld om het te doen. Ze beginnen met het creëren van kwantumindividuen die zich kunnen voortplanten in een kwantumomgeving.
Deze wezens bestaan uit twee delen. De eerste speelt de rol van DNA; het is de informatie die van de ene generatie op de andere wordt doorgegeven. De tweede speelt de rol van het lichaam van het wezen, het is het deel dat in wisselwerking staat met de omgeving, veroudert en uiteindelijk sterft. Deze delen fungeren als een genotype en fenotype voor het organisme.
De wezens kunnen zich op twee manieren voortplanten. De eerste is aseksueel - het kwantum-DNA scheidt zich van zijn lichaam en is dan beschikbaar om samen te werken met een ander kwantumlichaam om een nieuw individu te creëren. Dat creëert een identieke kopie van het origineel, maar mutaties kunnen optreden door middel van fysieke processen die het lichaam willekeurig tussen levens veranderen.
De tweede manier is seksuele reproductie. Wanneer twee wezens elkaar ontmoeten, reproduceren ze door kwantum-DNA uit te wisselen om een nieuw genoom te produceren dat elementen van beide heeft. Dit is dan beschikbaar om samen met een lichaam een organisme te creëren met een geheel nieuw genotype.
Natuurlijk is de mechanica die dit alles regelt volledig kwantum van aard. De bewerking die informatie van de ene generatie naar de volgende doorgeeft, is een vorm van kwantumklonen die de informatie van het ene deeltje naar het andere overdraagt. Mutatie is een soort logische bewerking, zoals een rotatie, die de kwantuminformatie die een deeltje draagt, verandert.
Dit soort leven zou enkele unieke eigenschappen hebben. De verstrengeling tussen verschillende individuen stelt ons in staat om de klassieke informatie te klonen en de kwantumcoherenties van de oorspronkelijke kwantum-levenseenheden door te geven aan de opeenvolgende generaties, zegt Alvarez-Rodriguez en co.
Met andere woorden, de kwantumheid gaat van de ene generatie naar de volgende via kwantumverstrengeling. Dus elk individu en zijn nakomelingen delen een krachtige band, aangezien verstrengelde deeltjes in feite hetzelfde bestaan delen.
Maar dit heeft belangrijke rekenkundige consequenties. De resulterende simulatie is zo complex dat het slechts voor een klein aantal generaties op een klassieke computer kan worden gedaan en dit beperkt ernstig wat kan worden geleerd over de aard van het kwantumleven.
Wat natuurlijk nodig is, is een puur kwantummodel. En hier zeggen Alvarez-Rodriguez en co dat dit mogelijk moet zijn met technologieën die nu beschikbaar zijn.
Ze wijzen erop dat de eenvoudigste soorten kwantumleven slechts uit twee qubits hoeven te bestaan: de ene vertegenwoordigt het genotype en de andere vertegenwoordigt het fenotype. Deze qubits hoeven alleen maar samengevoegd te worden.
Dit zou relatief eenvoudig moeten zijn met bijvoorbeeld ingesloten ionen, waar natuurkundigen veel ervaring mee hebben. In dit geval kan de kwantuminformatie worden opgeslagen in de verschillende energieniveaus van een ion. De interacties tussen ionen en de qubits die ze bevatten, kunnen vervolgens worden gemedieerd via logische bewerkingen die deze toestanden combineren, roteren, enzovoort. Soortgelijke bewerkingen zijn ook mogelijk met fotonen en supergeleidende qubits.
Dat is interessant werk met een opwindend potentieel. Wat nu nodig is, is iemand met een opgesloten ionenfaciliteit of een kwantumopticabank en een paar vrije uren om met dit soort model te spelen. Een dergelijk model zou kunnen onderzoeken hoe kwantumindividuen evolueren in specifieke omgevingen.
Zo'n experiment heeft het potentieel om de manier waarop onderzoekers denken over het leven en, inderdaad, kwantumheid te veranderen. Wanneer het idee van kwantumleven opkomt, rijst al snel een simpele vraag. Zo kunnen kwantumlevensexperimenten licht werpen op de oorsprong van het leven zelf.
Het denken over dit onderwerp verandert snel. Het is nog niet zo lang geleden dat biologen blind zwoeren dat kwantumprocessen nooit een rol zouden kunnen spelen in de mechanismen van het leven of in het ontstaan ervan.
Tegenwoordig zijn ze daar niet zo zeker van. Kwantumprocessen lijken de kern te zijn van allerlei biologische fenomenen zoals fotosynthese, ons reukvermogen en zelfs vogelnavigatie.
Alleen een dappere onderzoeker zou beweren dat ze geen rol hebben gespeeld bij het ontstaan van het leven. En het is werk als dit dat zou kunnen helpen om deze belangrijke vraag in meer detail dan ooit tevoren te onderzoeken.
Referentie: arxiv.org/abs/1505.03775 : Kunstmatig leven in kwantumtechnologieën