"Nos recherches ont transféré ces événements étonnants et complexes, appelés la vie, dans le monde microscopique des atomes - et cela a fonctionné."
Pour la première fois, une équipe internationale de chercheurs a utilisé un ordinateur quantique pour créer la vie artificielle - une simulation d'organismes vivants que les scientifiques peuvent utiliser pour comprendre la vie au niveau des populations et au-dessous, jusqu'aux interactions intercellulaires.
Sur un ordinateur quantique, des organismes vivants individuels, représentés au niveau microscopique à l'aide de
qubits supraconducteurs, ont été forcés de «s'accoupler», d'interagir avec l'environnement et de «mourir», simulant les facteurs les plus importants affectant l'évolution.
La nouvelle
étude , publiée dans la revue Scientific Reports, était une percée qui pourrait éventuellement aider à répondre à la question de savoir si l'origine de la vie peut être expliquée par la mécanique quantique - une théorie physique qui décrit l'Univers en termes d'interactions entre les particules subatomiques.
La modélisation de la vie artificielle quantique est une nouvelle approche d'une des questions les plus troublantes des scientifiques: comment la vie
provient-elle de la matière inerte , du «
bouillon primaire » des molécules organiques qui existaient autrefois sur Terre?
Pour la première fois, l'idée que la réponse peut être dans le domaine quantique a été proposée en 1944 par
Erwin Schrödinger dans son livre influent «Qu'est-ce que la vie?». Mais les progrès dans ce domaine ont été ralentis en raison de difficultés à créer de puissants ordinateurs quantiques, qui étaient nécessaires pour les simulations qui pouvaient répondre à cette question.
Les ordinateurs ordinaires, «classiques», dont vous utilisez pour lire cet article, traitent les informations sous forme de bits binaires - unités d'informations dont la valeur peut prendre la valeur 0 ou 1. En revanche, les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, dont la valeur peut représenter une combinaison de 0 et 1. Une telle propriété, la superposition, signifie que la puissance des ordinateurs quantiques à grande échelle dépassera sérieusement la puissance des ordinateurs classiques.
L'objectif d'une équipe de chercheurs de la Fondation pour la science basque, dirigée par Enrique Solano, était de créer un modèle informatique qui reproduit les processus de l'évolution de Darwin sur un ordinateur quantique. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un processeur quantique à cinq qubits
développé par IBM , dont l'accès est possible via la technologie cloud.
Cet algorithme quantique a simulé des processus biologiques de base, tels que l'auto-reproduction, les mutations, l'interaction entre les individus et la mort, au niveau des qubits. Le résultat a été une simulation précise du processus évolutif se déroulant au niveau microscopique.
"La vie est une caractéristique macroscopique complexe résultant de la matière inanimée, et l'information quantique est une caractéristique des qubits, des objets isolés microscopiques, se produisant dans un très petit univers", m'a dit Solano par courrier. "Nos recherches ont transféré ces événements étonnants et complexes, appelés la vie, dans le monde microscopique des atomes - et cela a fonctionné."
Les individus étaient représentés dans le modèle à l'aide de deux qubits. Un qubit était un génotype distinct, le code génétique derrière une caractéristique particulière, et l'autre était un phénotype, l'expression physique de cette caractéristique.
Pour simuler l'auto-reproduction, l'algorithme a copié l'
attente mathématique (la probabilité moyenne des résultats de toutes les mesures possibles) du génotype dans un nouveau qubit en utilisant l'
intrication , un processus qui relie les qubits ensemble afin qu'ils échangent instantanément des informations. Pour tenir compte des mutations, les chercheurs ont introduit des tours aléatoires de qubits dans le code de l'algorithme et l'ont utilisé pour les qubits du génotype.
L'algorithme a ensuite modélisé l'interaction entre les individus et leur environnement, représentant le vieillissement et la mort. Cela a été fait en transférant un nouveau génotype de l'étape d'auto-reproduction à un autre qubit en utilisant l'intrication. Le nouveau qubit représentait le phénotype de l'individu. La durée de vie d'un individu - le temps qu'il faut pour que les informations se dégradent ou se dissipent dans le processus d'interaction avec l'environnement - dépend des informations codées dans le génotype.
Enfin, ces individus ont interagi les uns avec les autres. Cela a nécessité quatre qubits (deux génotypes et deux phénotypes), mais les phénotypes n'ont interagi et échangé des informations que s'ils satisfaisaient à certains critères codés dans leurs qubits génotypiques.
L'interaction a produit un nouvel individu et le processus a été répété à nouveau. Au total, les chercheurs ont répété ce processus plus de 24 000 fois.
"Nos individus quantiques ont agi sous l'influence de tentatives d'adaptation dans le cadre de l'évolution quantique de Darwin, qui, en fait, a transmis des informations quantiques à travers des générations d'états entremêlés à plusieurs qubits plus importants", ont écrit les chercheurs.
Maintenant que le travail de l'algorithme de la vie artificielle quantique a été démontré, la prochaine étape sera de le faire évoluer pour travailler avec un grand nombre d'individus et développer leurs capacités. Par exemple, Solano m'a dit que lui et ses collègues travaillaient sur la possibilité d'ajouter des «caractéristiques sexuelles» aux qubits, afin de mieux étudier les interactions sociales et sexuelles au niveau quantique.
"Nous pouvons constater qu'il vaut mieux avoir deux sexes, ou peut-être pas un, pour le bien de l'espèce, sa survie et son développement", a déclaré Solano.
En outre, Solano a déclaré que lui et ses collègues souhaitent augmenter le nombre d'interactions qui se produisent entre les individus dans la simulation. Mais cela dépend des capacités de l'équipement informatique lui-même.
Bien que l'informatique quantique ait fait de grands progrès dans les codes récents, ils ont encore un très long chemin à parcourir - principalement en raison de la nature capricieuse des qubits. Ils sont incroyablement sensibles au bruit; ils ne peuvent être réalisés que dans le cadre de systèmes complexes et coûteux qui peuvent les protéger des influences extérieures, ce qui signifie généralement la présence de nombreux lasers, de matériaux exotiques et de températures extrêmement basses.
Mais même après toutes ces astuces, faire travailler plusieurs dizaines de qubits ensemble est une tâche difficile. Cette année, Google a déjà établi un record avec
un processeur à 72 qubits , mais cela est encore très loin de la véritable supériorité quantique, le point théorique auquel les ordinateurs quantiques peuvent devancer le plus puissant des ordinateurs classiques sur Terre.
Bien que les technologies informatiques nécessaires pour atteindre la supériorité quantique ne soient pas encore apparues, les travaux de Solano et de ses collègues peuvent, en principe, conduire à l'émergence d'ordinateurs quantiques capables de simuler de manière autonome l'évolution sans leur demander au préalable d'écrire un algorithme écrit par des personnes.