"Unsere Forschung hat diese erstaunlichen und komplexen Ereignisse, genannt Leben, in die mikroskopische Welt der Atome übertragen - und es hat funktioniert."
Zum ersten Mal verwendete ein internationales Forscherteam einen Quantencomputer, um künstliches Leben zu schaffen - eine Simulation lebender Organismen, mit der Wissenschaftler das Leben auf der Ebene von Populationen und darunter bis hin zu interzellulären Interaktionen verstehen können.
Auf einem Quantencomputer mussten einzelne lebende Organismen, die auf mikroskopischer Ebene durch supraleitende
Qubits dargestellt wurden, „paaren“, mit der Umwelt interagieren und „sterben“, um die wichtigsten Faktoren zu simulieren, die die Evolution beeinflussen.
Die neue
Studie , die in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, war ein Durchbruch, der letztendlich dazu beitragen könnte, die Frage zu beantworten, ob der Ursprung des Lebens durch die Quantenmechanik erklärt werden kann - eine physikalische Theorie, die das Universum in Bezug auf Wechselwirkungen zwischen subatomaren Teilchen beschreibt.
Die Modellierung des quantenkunstlichen Lebens ist ein neuer Ansatz für eine der schwierigsten Fragen der Wissenschaftler: Wie
kommt das Leben
aus inerter Materie , aus der „
Primärbrühe “ organischer Moleküle, die einst auf der Erde existierten?
Zum ersten Mal wurde die Idee, dass die Antwort im Quantenfeld liegen kann, 1944 von
Erwin Schrödinger in seinem einflussreichen Buch „Was ist Leben?“ Vorgeschlagen. Die Fortschritte in diesem Bereich wurden jedoch aufgrund von Schwierigkeiten bei der Erstellung leistungsfähiger Quantencomputer verlangsamt, die für Simulationen erforderlich waren, die diese Frage beantworten konnten.
Gewöhnliche „klassische“ Computer, von denen einer zum Lesen dieses Artikels verwendet wird, verarbeiten Informationen in Form von Binärbits - Informationseinheiten, deren Wert den Wert 0 oder 1 annehmen kann. Im Gegensatz dazu verwenden Quantencomputer Qubits, deren Wert darstellen kann eine Kombination von 0 und 1. Diese Eigenschaft, die Überlagerung, bedeutet, dass die Leistung großer Quantencomputer die Leistung klassischer Computer erheblich übersteigt.
Das Ziel eines Forscherteams der Basque Science Foundation unter der Leitung von Enrique Solano war es, ein Computermodell zu erstellen, das die Prozesse der Darwin-Evolution auf einem Quantencomputer reproduziert. Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher einen
von IBM entwickelten Fünf-Qubit-Quantenprozessor, auf den über die Cloud-Technologie zugegriffen werden kann.
Dieser Quantenalgorithmus simulierte grundlegende biologische Prozesse wie Selbstreproduktion, Mutationen, Interaktion zwischen Individuen und Tod auf der Ebene der Qubits. Das Ergebnis war eine genaue Simulation des Evolutionsprozesses auf mikroskopischer Ebene.
"Das Leben ist ein komplexes makroskopisches Merkmal, das sich aus lebloser Materie ergibt, und Quanteninformation ist ein Merkmal von Qubits, mikroskopisch kleinen isolierten Objekten, die in einem sehr kleinen Universum vorkommen", sagte mir Solano per Post. "Unsere Forschung hat diese erstaunlichen und komplexen Ereignisse, genannt Leben, in die mikroskopische Welt der Atome übertragen - und es hat funktioniert."
Einzelpersonen wurden im Modell mit zwei Qubits dargestellt. Ein Qubit war ein separater Genotyp, der genetische Code hinter einem bestimmten Merkmal, und das andere war ein Phänotyp, der physikalische Ausdruck dieses Merkmals.
Um die Selbstreproduktion zu simulieren, kopierte der Algorithmus die
mathematische Erwartung (den Durchschnittswert der Wahrscheinlichkeit der Ergebnisse aller möglichen Messungen) des Genotyps mithilfe der
Verschränkung in ein neues Qubit, ein Prozess, der Qubits miteinander verknüpft, sodass sie sofort Informationen austauschen. Um Mutationen zu berücksichtigen, führten die Forscher zufällige Umdrehungen von Qubits in den Algorithmuscode ein und verwendeten ihn für Qubits des Genotyps.
Der Algorithmus modellierte dann die Interaktion zwischen Individuen und ihrer Umgebung, die Alterung und Tod darstellt. Dies erfolgte durch Übertragung eines neuen Genotyps aus dem Schritt der Selbstreproduktion auf ein anderes Qubit unter Verwendung von Verschränkung. Das neue Qubit repräsentierte den Phänotyp des Individuums. Die Lebensdauer eines Individuums - wie lange es dauert, bis sich Informationen bei Interaktionen mit der Umwelt verschlechtern oder auflösen - hängt von den im Genotyp kodierten Informationen ab.
Schließlich interagierten diese Personen miteinander. Dies erforderte vier Qubits (zwei Genotypen und zwei Phänotypen), aber Phänotypen interagierten und tauschten Informationen nur aus, wenn sie bestimmte Kriterien erfüllten, die in ihren genotypischen Qubits kodiert waren.
Die Interaktion erzeugte ein neues Individuum und der Prozess wurde erneut wiederholt. Insgesamt wiederholten die Forscher diesen Vorgang mehr als 24.000 Mal.
"Unsere Quantenindividuen handelten unter dem Einfluss von Anpassungsversuchen im Rahmen von Darwins Quantenentwicklung, die tatsächlich Quanteninformationen über Generationen größerer verschränkter Multi-Qubit-Zustände übertrug", schrieben die Forscher.
Nachdem die Arbeit des Algorithmus für das künstliche Quantenleben demonstriert wurde, besteht der nächste Schritt darin, ihn so zu skalieren, dass er mit einer großen Anzahl von Personen zusammenarbeitet und deren Fähigkeiten erweitert. Zum Beispiel sagte mir Solano, dass er und seine Kollegen an der Möglichkeit arbeiten, Qubits mit „sexuellen Merkmalen“ zu versehen, um soziale und sexuelle Interaktionen auf Quantenebene besser untersuchen zu können.
"Wir können feststellen, dass es besser ist, zwei Geschlechter zu haben, oder vielleicht nicht eines, zum Wohl der Spezies, ihres Überlebens und ihrer Entwicklung", sagte Solano.
Darüber hinaus sagte Solano, dass er und seine Kollegen die Anzahl der Interaktionen zwischen Personen in der Simulation erhöhen möchten. Dies hängt jedoch von den Fähigkeiten der Computerausrüstung selbst ab.
Obwohl das Quantencomputing in den letzten Codes große Fortschritte gemacht hat, haben sie noch einen sehr langen Weg vor sich - hauptsächlich aufgrund der launischen Natur von Qubits. Sie sind unglaublich geräuschempfindlich; Sie können nur in komplexen und teuren Systemen implementiert werden, die sie vor äußeren Einflüssen schützen können. Dies bedeutet normalerweise das Vorhandensein vieler Laser, exotischer Materialien und extrem niedriger Temperaturen.
Aber selbst nach all diesen Tricks ist es eine schwierige Aufgabe, mehrere zehn Qubits zusammenarbeiten zu lassen. In diesem Jahr hat Google bereits einen Rekord mit
einem 72-Qubit-Prozessor aufgestellt , aber dies ist noch weit von einer echten Quantenüberlegenheit entfernt, dem theoretischen Punkt, an dem Quantencomputer den leistungsstärksten der klassischen Computer der Welt übertreffen können.
Obwohl die zur Erreichung der Quantenüberlegenheit erforderlichen Computertechnologien noch nicht erschienen sind, können die Arbeiten von Solano und seinen Kollegen im Prinzip zur Entstehung von Quantencomputern führen, die die Evolution autonom simulieren können, ohne sie zuvor zu bitten, einen von Menschen geschriebenen Algorithmus zu schreiben.