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La simulazione quantistica potrebbe far luce sulle origini della vita
Che ruolo gioca la meccanica quantistica nella macchina della vita? Nessuno è abbastanza sicuro, ma negli ultimi anni i fisici hanno iniziato a studiare ogni tipo di possibilità. Nel processo, hanno raccolto prove che suggeriscono che la meccanica quantistica gioca un ruolo importante nella fotosintesi, nella navigazione degli uccelli e forse nel nostro senso dell'olfatto.
Esiste anche una linea di pensiero speculativa secondo cui i processi quantistici devono aver governato l'origine della vita stessa e la formulazione del codice genetico. Il lavoro per studiare queste domande è in corso e prevede un'attenta osservazione delle molecole della vita.
Ma c'è un altro modo per affrontare questa domanda dal basso verso l'alto. Gli informatici hanno a lungo giocato con forme di vita artificiali costruite dal codice del computer. Questo codice vive in un ambiente basato sul silicio in cui la sua idoneità viene misurata rispetto ad alcuni criteri di selezione.
Il processo di evoluzione quantistica e la creazione della vita quantistica artificiale
Si riproduce per combinazione con altro codice o per mutazione del proprio codice. E il codice più adatto ha più figli mentre il meno adatto muore. In altre parole, il codice si evolve. Gli informatici hanno utilizzato questo approccio per studiare vari aspetti della vita, dell'evoluzione e dell'emergere della complessità.
Questo è un processo del tutto classico che segue i normali passi newtoniani, uno dopo l'altro. Il mondo reale, d'altra parte, include la meccanica quantistica e gli strani fenomeni che essa consente. È così che sorge la domanda se la meccanica quantistica possa svolgere un ruolo nell'evoluzione e persino nell'origine della vita stessa.
Quindi un primo passo importante è riprodurre questo processo di evoluzione nel mondo quantistico, creando forme di vita quantistiche artificiali. Ma è possibile?
Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Unai Alvarez-Rodriguez e alcuni amici dell'Università dei Paesi Baschi in Spagna. Questi ragazzi hanno creato per la prima volta una versione quantistica della vita artificiale. E affermano che i loro risultati sono i primi esempi di evoluzione quantistica che consente ai fisici di esplorare il modo in cui la complessità emerge nel mondo quantistico.
L'esperimento è semplice in linea di principio. Il team pensa che la vita quantistica sia composta da due parti: un genotipo e un fenotipo. Proprio come con la vita basata sul carbonio, il genotipo quantistico contiene l'informazione quantistica che descrive l'individuo, il suo codice genetico. Il genotipo è la parte dell'unità di vita quantistica che viene trasmessa da una generazione all'altra.
Il fenotipo, d'altra parte, è la manifestazione del genotipo che interagisce con il mondo reale, il corpo dell'individuo. Questo stato, insieme alle informazioni che codifica, viene degradato durante la vita dell'individuo, affermano Alvarez-Rodriguez e co.
Quindi ogni unità di vita quantistica consiste di due qubit, uno che rappresenta il genotipo e l'altro il fenotipo. L'obiettivo è riprodurre i processi caratteristici dell'evoluzione darwiniana, adattati al linguaggio degli algoritmi quantistici e del calcolo quantistico, afferma il team.
Il primo passo nel processo evolutivo è la riproduzione. Alvarez-Rodriguez e co lo fanno usando il processo di entanglement, che consente la trasmissione di stati quantistici da un oggetto all'altro. In questo caso, intrecciano il qubit del genotipo con uno stato vuoto e quindi trasferiscono le sue informazioni quantistiche.
La fase successiva è la sopravvivenza, che dipende dal fenotipo. Alvarez-Rodriguez e compagni lo fanno trasferendo un aspetto dello stato del genotipo in un altro stato vuoto, che diventa il fenotipo. Il fenotipo interagisce quindi con l'ambiente e alla fine si dissipa.
Questo processo equivale all'invecchiamento e alla morte e il tempo necessario dipende dal genotipo. Quelli che vivono più a lungo sono implicitamente più adatti al loro ambiente e vengono riprodotti preferenzialmente nella generazione successiva.
C'è un altro aspetto importante dell'evoluzione: come gli individui differiscono l'uno dall'altro. Nell'evoluzione ordinaria, la variazione avviene in due modi. Il primo è attraverso la ricombinazione sessuale, in cui il genotipo di due individui si combina. Il secondo è per mutazione, dove si verificano cambiamenti casuali nel genotipo durante il processo riproduttivo.
Alvarez-Rodriguez e co impiegano questo secondo tipo di variazione nel loro mondo quantistico. Quando le informazioni quantistiche vengono trasferite da una generazione all'altra, il team introduce un cambiamento casuale, in questo caso una rotazione dello stato quantistico. E questo, a sua volta, determina il fenotipo e il modo in cui interagisce con il suo ambiente.
Quindi questa è la teoria. L'esperimento stesso è complicato perché i computer quantistici sono ancora nella loro infanzia. Tuttavia, Alvarez-Rodriguez e co hanno utilizzato IBM QX, un computer quantistico superconduttore presso l'IBM T.J. Watson Laboratories che l'azienda ha reso pubblicamente accessibile tramite il cloud. La società afferma che circa 40.000 persone si sono iscritte per utilizzare il servizio e hanno eseguito insieme circa 275.000 algoritmi quantistici attraverso il dispositivo.
Alvarez-Rodriguez e co hanno utilizzato la versione a cinque qubit della macchina, che esegue algoritmi quantistici che consentono interazioni a due qubit. Tuttavia, il sistema impone alcune limitazioni al processo di evoluzione che il team vuole eseguire. Ad esempio, non permette che le variazioni introdotte durante il processo riproduttivo siano casuali.
Invece, il team esegue l'esperimento più volte, introducendo una rotazione nota diversa in ogni corsa, quindi esamina i risultati insieme. In totale, eseguono l'esperimento migliaia di volte per avere una buona idea dei risultati.
In generale, i risultati corrispondono alle previsioni teoriche con alta fedeltà. Gli esperimenti riproducono le proprietà caratteristiche dello scenario di selezione naturale quantistica ricercato, affermano Alvarez-Rodriguez e co.
E il team afferma che le mutazioni hanno un impatto importante sui risultati: [Hanno] migliorato significativamente la fedeltà del risultato dell'algoritmo quantistico. Non è così diverso dal mondo classico, dove le mutazioni aiutano le specie ad adattarsi agli ambienti mutevoli.
Naturalmente, ci sono avvertenze importanti. I limiti del computer quantistico di IBM sollevano importanti interrogativi sul fatto che il team abbia davvero simulato l'evoluzione. Ma questi problemi dovrebbero essere risolti nel prossimo futuro.
Tutto questo lavoro è il risultato della lunga attenzione del team sulla vita quantistica. Nel 2015 abbiamo riportato il lavoro del team nella simulazione della vita quantistica su un computer classico. Ora hanno fatto il primo passo per testare queste idee su un vero computer quantistico.
E il futuro sembra luminoso. La tecnologia dei computer quantistici sta avanzando rapidamente, il che dovrebbe consentire ad Alvarez-Rodriguez e altri di creare la vita quantistica in ambienti più complessi. IBM, ad esempio, ha un processore da 20 qubit online e sta testando una versione da 50 qubit.
Ciò renderà possibile una serie di nuovi esperimenti sulla vita quantistica. La più ovvia includerà la capacità delle forme di vita quantistiche di interagire tra loro e forse riprodursi per ricombinazione sessuale, in altre parole, combinando elementi dei loro genotipi. Un'altra possibilità sarà quella di consentire alle forme di vita quantistiche di muoversi e vedere come ciò influenzi le loro interazioni e l'idoneità alla sopravvivenza.
Quello che emergerà non è chiaro. Ma Alvarez-Rodriguez e co sperano che le loro forme di vita quantistiche diventino modelli importanti per esplorare l'emergere della complessità nel mondo quantistico.
Alla fine, ciò dovrebbe alimentare la nostra comprensione del ruolo dei processi quantistici nelle forme di vita basate sul carbonio e l'origine della vita stessa. Il dibattito che ne deriverà sarà affascinante da guardare.
Rif: arxiv.org/abs/1711.09442 : Vita artificiale quantistica in un computer quantistico IBM