"Nuestra investigación transfirió estos eventos sorprendentes y complejos, llamados vida, al mundo microscópico de los átomos, y funcionó".
Por primera vez, un equipo internacional de investigadores utilizó una computadora cuántica para crear vida artificial, una simulación de organismos vivos que los científicos pueden usar para comprender la vida a nivel de poblaciones y por debajo, hasta las interacciones intercelulares.
En una computadora cuántica, los organismos vivos individuales, representados a nivel microscópico utilizando
qubits superconductores, se vieron obligados a "aparearse", interactuar con el medio ambiente y "morir", simulando los factores más importantes que afectan la evolución.
El nuevo
estudio , publicado en Scientific Reports, fue un avance que eventualmente podría ayudar a responder la pregunta de si el origen de la vida puede explicarse por la mecánica cuántica, una teoría física que describe el Universo en términos de interacciones entre partículas subatómicas.
Modelar la vida artificial cuántica es un nuevo enfoque para una de las preguntas más problemáticas de los científicos: ¿cómo
proviene la vida
de la materia inerte , del "
caldo primario " de las moléculas orgánicas que alguna vez existieron en la Tierra?
Por primera vez, la idea de que la respuesta puede estar en el campo cuántico fue propuesta en 1944 por
Erwin Schrödinger en su influyente libro "¿Qué es la vida?". Pero el progreso en esta área se ralentizó debido a las dificultades en la creación de poderosas computadoras cuánticas, que fueron necesarias para las simulaciones que podrían responder a esta pregunta.
Las computadoras ordinarias, “clásicas”, una de las cuales usa para leer este artículo, procesan información en forma de bits binarios, unidades de información cuyo valor puede tomar el valor 0 o 1. En contraste, las computadoras cuánticas usan qubits, cuyo valor puede representar una combinación de 0 y 1. Tal propiedad, superposición, significa que el poder de las computadoras cuánticas a gran escala excederá seriamente el poder de las computadoras clásicas.
El objetivo de un equipo de investigadores de la Fundación Vasca de la Ciencia, dirigido por Enrique Solano, era crear un modelo informático que reproduzca los procesos de la evolución de Darwin en una computadora cuántica. Para hacer esto, los investigadores utilizaron un procesador cuántico de cinco qubits
desarrollado por IBM , cuyo acceso es posible a través de la tecnología en la nube.
Este algoritmo cuántico simulaba procesos biológicos básicos, como la autorreproducción, mutaciones, interacción entre individuos y muerte, a nivel de qubits. El resultado fue una simulación precisa del proceso evolutivo que tiene lugar a nivel microscópico.
"La vida es una característica macroscópica compleja que surge de la materia inanimada, y la información cuántica es una característica de qubits, objetos microscópicos aislados que ocurren en un universo muy pequeño", me dijo Solano por correo. "Nuestra investigación transfirió estos eventos sorprendentes y complejos, llamados vida, al mundo microscópico de los átomos, y funcionó".
Los individuos fueron representados en el modelo usando dos qubits. Un qubit era un genotipo separado, el código genético detrás de una característica particular, y el otro era un fenotipo, la expresión física de esta característica.
Para simular la autorreproducción, el algoritmo copió la
expectativa matemática (la probabilidad promedio de los resultados de todas las mediciones posibles) del genotipo en un nuevo qubit usando
enredos , un proceso que une qubits para que intercambien información al instante. Para tener en cuenta las mutaciones, los investigadores introdujeron giros aleatorios de qubits en el código del algoritmo y lo usaron para qubits del genotipo.
El algoritmo luego modeló la interacción entre los individuos y su entorno, representando el envejecimiento y la muerte. Esto se hizo transfiriendo un nuevo genotipo del paso de la auto-reproducción a otro qubit usando enredos. El nuevo qubit representaba el fenotipo del individuo. La vida útil de un individuo, el tiempo que tarda la información en degradarse o disiparse durante las interacciones con el entorno, depende de la información codificada en el genotipo.
Finalmente, estos individuos interactuaron entre sí. Esto requirió cuatro qubits (dos genotipos y dos fenotipos), pero los fenotipos interactuaron e intercambiaron información solo si cumplían ciertos criterios codificados en sus qubits genotípicos.
La interacción produjo un nuevo individuo, y el proceso se repitió nuevamente. En total, los investigadores repitieron este proceso más de 24,000 veces.
"Nuestros individuos cuánticos actuaron bajo la influencia de los intentos de adaptación en el marco de la evolución cuántica de Darwin, que, de hecho, transmitió información cuántica a través de generaciones de estados entrelazados de múltiples qubits más grandes", escribieron los investigadores.
Ahora que se ha demostrado el trabajo del algoritmo de vida artificial cuántica, el siguiente paso será escalarlo para que funcione con un gran número de individuos y ampliar sus habilidades. Por ejemplo, Solano me dijo que él y sus colegas están trabajando en la posibilidad de agregar "características sexuales" a los qubits, para estudiar mejor las interacciones sociales y sexuales a nivel cuántico.
"Podemos encontrar que es mejor tener dos sexos, o quizás no uno, por el bien de la especie, su supervivencia y desarrollo", dijo Solano.
Además, Solano dijo que él y sus colegas quieren aumentar la cantidad de interacciones que ocurren entre los individuos en la simulación. Pero depende de las capacidades del equipo informático en sí.
Aunque la computación cuántica ha avanzado mucho en los códigos recientes, todavía tienen un largo camino por recorrer, principalmente debido a la naturaleza caprichosa de los qubits. Son increíblemente sensibles al ruido; solo pueden implementarse dentro de sistemas complejos y costosos que pueden protegerlos de influencias externas, y esto generalmente significa la presencia de muchos láseres, materiales exóticos y temperaturas extremadamente bajas.
Pero incluso después de todos estos trucos, hacer que varias decenas de qubits funcionen juntos es una tarea difícil. Este año, Google ya ha establecido un récord con
un procesador de 72 qubits , pero esto aún está muy lejos de la verdadera superioridad cuántica, el punto teórico en el que las computadoras cuánticas pueden adelantarse a las computadoras más poderosas de la Tierra.
Aunque las tecnologías informáticas necesarias para lograr la superioridad cuántica aún no han aparecido, el trabajo de Solano y sus colegas puede, en principio, conducir a la aparición de computadoras cuánticas que pueden simular de forma autónoma la evolución sin pedirles primero que escriban un algoritmo escrito por personas.