"Penelitian kami memindahkan peristiwa luar biasa dan kompleks ini, yang disebut kehidupan, ke dunia mikroskopis atom - dan itu berhasil."
Untuk pertama kalinya, tim peneliti internasional menggunakan komputer kuantum untuk menciptakan kehidupan buatan - sebuah simulasi organisme hidup yang dapat digunakan para ilmuwan untuk memahami kehidupan di tingkat populasi dan di bawahnya, hingga interaksi antar sel.
Pada komputer kuantum, organisme hidup individu, yang direpresentasikan pada tingkat mikroskopis dengan menggunakan superkonduktor
qubit , dipaksa untuk "berpasangan", berinteraksi dengan lingkungan dan "mati", mensimulasikan faktor paling penting yang mempengaruhi evolusi.
Studi baru, yang diterbitkan dalam jurnal Scientific Reports, adalah terobosan yang pada akhirnya dapat membantu menjawab pertanyaan apakah asal usul kehidupan dapat dijelaskan oleh mekanika kuantum, sebuah teori fisik yang menggambarkan alam semesta dalam hal interaksi antara partikel-partikel subatomik.
Membuat model kehidupan artifisial kuantum adalah pendekatan baru terhadap salah satu pertanyaan ilmuwan yang paling meresahkan: bagaimana kehidupan
berasal dari materi inert , dari "
kaldu utama " molekul organik yang pernah ada di Bumi?
Untuk pertama kalinya, gagasan bahwa jawabannya bisa di bidang kuantum diusulkan pada tahun 1944 oleh
Erwin Schrödinger dalam bukunya yang berpengaruh "What is life?". Tetapi kemajuan di bidang ini melambat karena kesulitan dalam menciptakan komputer kuantum yang kuat, yang diperlukan untuk simulasi yang dapat menjawab pertanyaan ini.
Komputer biasa, "klasik", salah satunya yang Anda gunakan untuk membaca artikel ini, memproses informasi dalam bentuk bit biner - unit informasi yang nilainya dapat mengambil nilai 0 atau 1. Sebaliknya, komputer kuantum menggunakan qubit, nilai yang dapat mewakili kombinasi dari 0 dan 1. Seperti milik mereka, superposisi, berarti bahwa kekuatan komputer kuantum skala besar akan secara serius melebihi kekuatan yang klasik.
Tujuan tim peneliti dari Basque Science Foundation, yang dipimpin oleh Enrique Solano, adalah untuk menciptakan model komputer yang mereproduksi proses evolusi Darwin pada komputer kuantum. Untuk melakukan ini, para peneliti menggunakan prosesor kuantum lima qubit yang
dikembangkan oleh IBM , akses yang dimungkinkan melalui teknologi cloud.
Algoritma kuantum ini mensimulasikan proses biologis dasar, seperti reproduksi-diri, mutasi, interaksi antara individu dan kematian, pada tingkat qubit. Hasilnya adalah simulasi akurat dari proses evolusi yang terjadi pada tingkat mikroskopis.
"Kehidupan adalah fitur makroskopis kompleks yang timbul dari benda mati, dan informasi kuantum adalah fitur qubit, objek terisolasi mikroskopis, yang terjadi di alam semesta yang sangat kecil," kata Solano kepada saya melalui surat. "Penelitian kami memindahkan peristiwa luar biasa dan kompleks ini, yang disebut kehidupan, ke dunia mikroskopis atom - dan itu berhasil."
Individu diwakili dalam model menggunakan dua qubit. Satu qubit adalah genotipe yang terpisah, kode genetik di belakang fitur tertentu, dan yang lainnya adalah fenotipe, ekspresi fisik dari fitur ini.
Untuk mensimulasikan reproduksi-diri, algoritma menyalin
ekspektasi matematis (nilai rata-rata probabilitas hasil dari semua pengukuran yang mungkin) dari genotipe ke dalam qubit baru menggunakan
keterjeratan , suatu proses yang menghubungkan qubit bersama sehingga mereka dapat bertukar informasi secara instan. Untuk menjelaskan mutasi, para peneliti memperkenalkan belokan acak qubit ke dalam kode algoritma dan menggunakannya untuk qubit genotipe.
Algoritma kemudian memodelkan interaksi antara individu dan lingkungan mereka, mewakili penuaan dan kematian. Ini dilakukan dengan mentransfer genotipe baru dari langkah reproduksi-diri ke qubit lain menggunakan keterjeratan. Qubit baru mewakili fenotip individu. Umur individu - berapa lama informasi dapat terdegradasi atau menghilang selama interaksi dengan lingkungan - tergantung pada informasi yang dikodekan dalam genotipe.
Akhirnya, individu-individu ini berinteraksi satu sama lain. Ini membutuhkan empat qubit (dua genotipe dan dua fenotipe), tetapi fenotip berinteraksi dan bertukar informasi hanya jika mereka memenuhi kriteria tertentu yang dikodekan dalam qubit genotipik mereka.
Interaksi menghasilkan individu baru, dan proses itu diulangi lagi. Secara total, para peneliti mengulangi proses ini lebih dari 24.000 kali.
"Individu kuantum kami bertindak di bawah pengaruh upaya adaptasi dalam kerangka evolusi kuantum Darwin, yang, pada kenyataannya, mentransmisikan informasi kuantum melalui generasi negara-negara multi-qubit terjerat lebih besar," tulis para peneliti.
Sekarang setelah karya algoritma kehidupan artifisial kuantum telah diperlihatkan, langkah selanjutnya adalah skala untuk bekerja dengan sejumlah besar individu dan memperluas kemampuan mereka. Sebagai contoh, Solano mengatakan kepada saya bahwa ia dan rekan-rekannya sedang bekerja pada kemungkinan menambahkan "karakteristik seksual" ke qubit, untuk mempelajari interaksi sosial dan seksual dengan lebih baik pada tingkat kuantum.
“Kita dapat menemukan bahwa lebih baik memiliki dua jenis kelamin, atau mungkin bukan satu, untuk kebaikan spesies, kelangsungan hidup dan perkembangannya,” kata Solano.
Selain itu, Solano mengatakan bahwa ia dan rekan-rekannya ingin meningkatkan jumlah interaksi yang terjadi antar individu dalam simulasi. Tetapi itu tergantung pada kemampuan peralatan komputer itu sendiri.
Meskipun komputasi kuantum telah membuat langkah besar dalam kode baru-baru ini, mereka masih memiliki jalan yang sangat panjang - terutama karena sifat berubah-ubah dari qubit. Mereka sangat sensitif terhadap kebisingan; mereka hanya dapat diimplementasikan dalam sistem yang kompleks dan mahal yang dapat melindungi mereka dari pengaruh eksternal, dan ini biasanya berarti keberadaan banyak laser, bahan eksotis dan suhu yang sangat rendah.
Tetapi bahkan setelah semua trik ini, membuat beberapa puluh qubit bekerja bersama adalah tugas yang sulit. Tahun ini, Google telah menetapkan rekor dengan
prosesor 72-qubit , tetapi masih sangat jauh dari superioritas kuantum sejati, titik teoretis di mana komputer kuantum dapat mengungguli komputer-komputer klasik paling kuat di muka bumi.
Meskipun teknologi komputer yang diperlukan untuk mencapai keunggulan kuantum belum muncul, karya Solano dan rekan-rekannya, pada prinsipnya, dapat menyebabkan munculnya komputer kuantum yang dapat mensimulasikan evolusi secara otonom tanpa terlebih dahulu meminta mereka untuk menulis algoritma yang ditulis oleh orang-orang.