Kvantinis modeliavimas gali atskleisti gyvybės kilmę

Kokį vaidmenį gyvybės mechanizmuose atlieka kvantinė mechanika? Niekas nėra visiškai tikras, tačiau pastaraisiais metais fizikai pradėjo tyrinėti visas galimybes. Proceso metu jie surinko įrodymų, rodančių, kad kvantinė mechanika atlieka svarbų vaidmenį fotosintezėje, paukščių navigacijoje ir galbūt mūsų uosle.

Egzistuoja net spekuliacinė mintis, kad kvantiniai procesai turėjo lemti pačios gyvybės kilmę ir genetinio kodo formulavimą. Šiuos klausimus tiriantis darbas tęsiamas ir apima kruopštų gyvybės molekulių stebėjimą.

Tačiau yra ir kitas būdas spręsti šį klausimą iš apačios į viršų. Kompiuterių mokslininkai jau seniai žaidžia su dirbtinėmis gyvybės formomis, sukurtomis iš kompiuterinio kodo. Šis kodas gyvena silicio pagrindu, kur jo tinkamumas matuojamas pagal kai kuriuos atrankos kriterijus.

Kvantinės evoliucijos procesas ir dirbtinės kvantinės gyvybės kūrimas

Jis dauginasi derindamas su kitu kodu arba mutuodamas savo kodą. Tinkamiausias kodas turi daugiau palikuonių, o mažiausiai tinkamas miršta. Kitaip tariant, kodas vystosi. Kompiuterių mokslininkai naudojo šį metodą tirdami įvairius gyvenimo aspektus, evoliuciją ir sudėtingumo atsiradimą.

Tai visiškai klasikinis procesas, einantis įprastus Niutono žingsnius vienas po kito. Kita vertus, realus pasaulis apima kvantinę mechaniką ir keistus reiškinius, kuriuos ji leidžia. Taip kyla klausimas, ar kvantinė mechanika gali turėti įtakos evoliucijai ir net pačios gyvybės atsiradimui.

Taigi pirmasis svarbus žingsnis yra atkurti šį kvantinio pasaulio evoliucijos procesą, sukuriant dirbtines kvantines gyvybės formas. Bet ar tai įmanoma?

Šiandien mes gauname atsakymą dėka Unai Alvarez-Rodriguez ir kelių bičiulių iš Baskų krašto universiteto Ispanijoje. Šie vaikinai pirmą kartą sukūrė kvantinę dirbtinės gyvybės versiją. Ir jie sako, kad jų rezultatai yra pirmieji kvantinės evoliucijos pavyzdžiai, leidžiantys fizikams ištirti, kaip sudėtingumas atsiranda kvantiniame pasaulyje.

Eksperimentas iš principo paprastas. Komanda mano, kad kvantinė gyvybė susideda iš dviejų dalių – genotipo ir fenotipo. Kaip ir anglies pagrindu sukurta gyvybė, kvantinis genotipas turi kvantinę informaciją, apibūdinančią individą – jo genetinį kodą. Genotipas yra kvantinio gyvybės vieneto dalis, kuri perduodama iš kartos į kartą.

Kita vertus, fenotipas yra genotipo pasireiškimas, kuris sąveikauja su realiu pasauliu – individo kūnu. Alvarezas-Rodriguezas ir kt. sako, kad ši būsena kartu su joje užkoduota informacija pablogėja per visą žmogaus gyvenimą.

Taigi kiekvienas kvantinės gyvybės vienetas susideda iš dviejų kubitų – vienas atstovauja genotipą, o kitas – fenotipą. Tikslas yra atkurti būdingus Darvino evoliucijos procesus, pritaikytus kvantinių algoritmų ir kvantinio skaičiavimo kalbai, teigia komanda.

Pirmasis evoliucijos proceso žingsnis yra dauginimasis. Alvarezas-Rodriguezas ir bendradarbiai tai daro naudodami įsipainiojimo procesą, kuris leidžia perduoti kvantines būsenas iš vieno objekto į kitą. Tokiu atveju jie supainioja qubit genotipą su tuščia būsena ir perduoda jo kvantinę informaciją.

Kitas etapas yra išgyvenimas, kuris priklauso nuo fenotipo. Alvarez-Rodriguez ir bendradarbiai tai daro perkeldami genotipo būsenos aspektą į kitą tuščią būseną, kuri tampa fenotipu. Tada fenotipas sąveikauja su aplinka ir galiausiai išsisklaido.

Šis procesas prilygsta senėjimui ir mirčiai, o jo trukmė priklauso nuo genotipo. Tie, kurie gyvena ilgiau, yra neabejotinai geriau pritaikyti savo aplinkai ir yra pageidautina daugintis kitoje kartoje.

Yra dar vienas svarbus evoliucijos aspektas – kuo individai skiriasi vienas nuo kito. Įprastoje evoliucijoje kitimas vyksta dviem būdais. Pirmasis – per seksualinę rekombinaciją, kai susijungia dviejų individų genotipas. Antrasis yra dėl mutacijos, kai dauginimosi proceso metu atsiranda atsitiktinių genotipo pokyčių.

Alvarezas-Rodriguezas ir bendrai naudoja šio antrojo tipo variaciją savo kvantiniame pasaulyje. Kai kvantinė informacija perduodama iš vienos kartos į kitą, komanda įveda atsitiktinį pokytį - šiuo atveju kvantinės būsenos sukimąsi. O tai, savo ruožtu, lemia fenotipą ir jo sąveiką su aplinka.

Taigi tokia teorija. Pats eksperimentas yra sudėtingas, nes kvantiniai kompiuteriai vis dar tik pradeda kurtis. Nepaisant to, Alvarez-Rodriguez ir kiti naudojo IBM QX, superlaidų kvantinį kompiuterį IBM T.J. „Watson Laboratories“, kurią bendrovė padarė viešai prieinamą per debesį. Bendrovė teigia, kad apie 40 000 asmenų prisiregistravo naudotis paslauga ir kartu paleido apie 275 000 kvantinių algoritmų per įrenginį.

Alvarezas-Rodriguezas ir bendradarbiai naudojo penkių kubitų mašinos versiją, kuri vykdo kvantinius algoritmus, leidžiančius dviejų kubitų sąveiką. Tačiau sistema nustato tam tikrus apribojimus evoliucijos procesui, kurį komanda nori vykdyti. Pavyzdžiui, neleidžiama, kad reprodukcinio proceso metu atsirandantys pokyčiai būtų atsitiktiniai.

Vietoj to, komanda kelis kartus vykdo eksperimentą, kiekviename bandyme įvesdama skirtingą žinomą sukimąsi, o tada kartu peržiūri rezultatus. Iš viso jie eksperimentą atlieka tūkstančius kartų, kad gerai suprastų rezultatus.

Apskritai rezultatai labai tiksliai atitinka teorines prognozes. Eksperimentai atkuria būdingas ieškomo kvantinės natūralios atrankos scenarijaus savybes, sako Alvarezas-Rodriguezas ir kt.

Ir komanda teigia, kad mutacijos turi didelę įtaką rezultatams: [Jie] žymiai pagerino kvantinio algoritmo rezultato tikslumą. Tai ne taip skiriasi nuo klasikinio pasaulio, kur mutacijos padeda rūšims prisitaikyti prie besikeičiančios aplinkos.

Žinoma, yra svarbių įspėjimų. IBM kvantinio kompiuterio apribojimai kelia svarbių klausimų, ar komanda tikrai imitavo evoliuciją. Tačiau artimiausiu metu šios problemos turėtų būti išspręstos.

Visas šis darbas yra ilgo komandos dėmesio kvantiniam gyvenimui rezultatas. Dar 2015 m. pranešėme apie komandos darbą imituojant kvantinį gyvenimą klasikiniame kompiuteryje. Dabar jie žengė pirmąjį žingsnį išbandydami šias idėjas tikrame kvantiniame kompiuteryje.

Ir ateitis atrodo šviesi. Kvantinės kompiuterinės technologijos sparčiai tobulėja, o tai turėtų leisti Alvarezui-Rodriguezui ir kitiems sukurti kvantinę gyvybę sudėtingesnėje aplinkoje. Pavyzdžiui, IBM internete turi 20 kubitų procesorių ir bando 50 kubitų versiją.

Tai leis atlikti įvairius naujus kvantinės gyvybės eksperimentus. Akivaizdžiausias bus kvantinių gyvybės formų gebėjimas sąveikauti tarpusavyje ir galbūt daugintis seksualinės rekombinacijos būdu, kitaip tariant, derinant savo genotipų elementus. Kita galimybė bus leisti kvantinėms gyvybės formoms judėti ir pamatyti, kaip tai daro įtaką jų sąveikai ir tinkamumui išgyventi.

Tik kas paaiškės, neaišku. Tačiau Alvarez-Rodriguez ir kiti tikisi, kad jų kvantinės gyvybės formos taps svarbiais modeliais tiriant sudėtingumo atsiradimą kvantiniame pasaulyje.

Galų gale, tai turėtų prisidėti prie mūsų supratimo apie kvantinių procesų vaidmenį anglies pagrindu veikiančiose gyvybės formose ir pačios gyvybės kilmę. Bus įdomu stebėti tolesnę diskusiją.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1711.09442 : Kvantinė dirbtinė gyvybė IBM kvantiniame kompiuteryje

paslėpti