"Nossa pesquisa transferiu esses eventos surpreendentes e complexos, chamados vida, para o mundo microscópico dos átomos - e funcionou".
Pela primeira vez, uma equipe internacional de pesquisadores usou um computador quântico para criar vida artificial - uma simulação de organismos vivos que os cientistas podem usar para entender a vida no nível das populações e abaixo, até interações intercelulares.
Em um computador quântico, organismos vivos individuais, representados em nível microscópico por meio de
qubits supercondutores, foram forçados a "emparelhar", interagir com o ambiente e "morrer", simulando os fatores mais importantes que influenciam a evolução.
O novo
estudo , publicado na revista Scientific Reports, foi um avanço que pode ajudar a responder à questão de saber se a origem da vida pode ser explicada pela mecânica quântica - uma teoria física que descreve o Universo em termos de interações entre partículas subatômicas.
Modelar a vida artificial quântica é uma nova abordagem para uma das perguntas dos cientistas mais preocupantes: como
a vida
vem da matéria inerte , do “
caldo primário ” de moléculas orgânicas que já existiram na Terra?
Pela primeira vez, a idéia de que a resposta pode estar no campo quântico foi proposta em 1944 por
Erwin Schrödinger em seu influente livro "O que é a vida?". Mas o progresso nessa área foi mais lento devido a dificuldades na criação de computadores quânticos poderosos, necessários para simulações que pudessem responder a essa pergunta.
Computadores comuns, “clássicos”, um dos quais você usa para ler este artigo, processam informações na forma de bits binários - unidades de informação cujo valor pode assumir o valor 0 ou 1. Em contraste, os computadores quânticos usam qubits, cujo valor pode representar uma combinação de 0 e 1. Tal propriedade, superposição, significa que o poder dos computadores quânticos em larga escala excederá seriamente o poder dos computadores clássicos.
O objetivo de uma equipe de pesquisadores da Basque Science Foundation, liderada por Enrique Solano, era criar um modelo de computador que reproduz os processos da evolução de Darwin em um computador quântico. Para fazer isso, os pesquisadores usaram um processador quântico de cinco bits
desenvolvido pela IBM , cujo acesso é possível por meio da tecnologia em nuvem.
Esse algoritmo quântico simulou processos biológicos básicos, como auto-reprodução, mutações, interação entre indivíduos e morte, no nível de qubits. O resultado foi uma simulação precisa do processo evolutivo que ocorre no nível microscópico.
"A vida é uma característica macroscópica complexa decorrente de matéria inanimada, e a informação quântica é uma característica de qubits, objetos microscópicos isolados, ocorrendo em um universo muito pequeno", disse-me Solano por correio. "Nossa pesquisa transferiu esses eventos surpreendentes e complexos, chamados vida, para o mundo microscópico dos átomos - e funcionou".
Os indivíduos foram representados no modelo usando dois qubits. Um qubit era um genótipo separado, o código genético por trás de uma característica em particular, e o outro era um fenótipo, a expressão física dessa característica.
Para simular a auto-reprodução, o algoritmo copiou a
expectativa matemática (a probabilidade média dos resultados de todas as medições possíveis) do genótipo em um novo qubit usando
emaranhamento , um processo que une os qubits para que eles troquem informações instantaneamente. Para explicar as mutações, os pesquisadores introduziram giros aleatórios de qubits no código do algoritmo e o usaram para qubits do genótipo.
O algoritmo modelou a interação entre indivíduos e seu ambiente, representando envelhecimento e morte. Isso foi feito transferindo um novo genótipo da etapa de auto-reprodução para outro qubit usando o emaranhamento. O novo qubit representou o fenótipo do indivíduo. A vida útil de um indivíduo - quanto tempo leva para que as informações se degradem ou se dissipem durante as interações com o ambiente - depende das informações codificadas no genótipo.
Finalmente, esses indivíduos interagiram entre si. Isso exigiu quatro qubits (dois genótipos e dois fenótipos), mas os fenótipos interagiram e trocaram informações apenas se eles atenderem a certos critérios codificados em seus qubits genotípicos.
A interação produziu um novo indivíduo, e o processo foi repetido novamente. No total, os pesquisadores repetiram esse processo mais de 24.000 vezes.
"Nossos indivíduos quânticos agiram sob a influência de tentativas de adaptação dentro da estrutura da evolução quântica de Darwin, que, de fato, transmitiu informações quânticas através de gerações de estados emaranhados com vários qubit maiores", escreveram os pesquisadores.
Agora que o trabalho do algoritmo quântico de vida artificial foi demonstrado, o próximo passo será escalá-lo para trabalhar com um grande número de indivíduos e expandir suas habilidades. Por exemplo, Solano me disse que ele e seus colegas estão trabalhando na possibilidade de adicionar “características sexuais” aos qubits, a fim de estudar melhor as interações sociais e sexuais em um nível quântico.
"Podemos descobrir que é melhor ter dois sexos, ou talvez não um, para o bem da espécie, sua sobrevivência e desenvolvimento", disse Solano.
Além disso, Solano disse que ele e seus colegas desejam aumentar o número de interações que ocorrem entre os indivíduos na simulação. Mas isso depende das capacidades do próprio equipamento de computador.
Embora a computação quântica tenha feito grandes avanços nos códigos recentes, eles ainda têm um longo caminho a percorrer - principalmente devido à natureza caprichosa dos qubits. Eles são incrivelmente sensíveis ao ruído; elas podem ser realizadas apenas dentro da estrutura de sistemas complexos e caros que podem protegê-los de influências externas, e isso geralmente significa a presença de muitos lasers, materiais exóticos e temperaturas extremamente baixas.
Mas mesmo depois de todos esses truques, fazer várias dezenas de qubits trabalharem juntos é uma tarefa difícil. Este ano, o Google já estabeleceu um recorde com
um processador de 72 qubit , mas ainda está muito longe da verdadeira superioridade quântica, o ponto teórico em que os computadores quânticos podem ficar à frente dos computadores mais poderosos da Terra.
Embora as tecnologias computacionais necessárias para alcançar a superioridade quântica ainda não tenham aparecido, o trabalho de Solano e seus colegas pode, em princípio, levar ao surgimento de computadores quânticos capazes de simular autonomamente a evolução sem antes pedir que escrevam um algoritmo escrito por pessoas.