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La vita quantistica diffonde l'entanglement tra le generazioni
Gli informatici sanno da tempo che l'evoluzione è un processo algoritmico che ha poco a che fare con la natura delle bestie che crea. Invece, l'evoluzione è un insieme di semplici passi che, se ripetuti molte volte, possono risolvere problemi di immensa complessità; il problema di creare il cervello umano, per esempio, o di costruire un occhio.
E, naturalmente, il problema di creare la vita. Metti un algoritmo evolutivo per funzionare in un ambiente virtuale e non ci vuole molto per creare organismi realistici in silicone che vivono e si riproducono interamente all'interno di un ambiente virtuale basato su computer.
Questo tipo di vita non è a base di carbonio e nemmeno a base di silicio. È un fenomeno di pura informazione. Ma se la natura dell'informazione permette di simulare il processo di evoluzione su un normale computer, allora perché non anche su un computer quantistico? La vita risultante esisterebbe in un ambiente quantistico virtuale governato dalle bizzarre leggi della meccanica quantistica. In quanto tale, sarebbe completamente diverso da qualsiasi cosa che i biologi abbiano mai incontrato o immaginato.
Ma quale forma potrebbe assumere la vita quantistica? Oggi abbiamo un'idea di questa domanda grazie al lavoro di Unai Alvarez-Rodriguez e di alcuni amici dell'Università dei Paesi Baschi in Spagna. Hanno simulato il modo in cui la vita si evolve in un ambiente quantistico e lo usano per proporre per la prima volta come potrebbe essere fatto in un ambiente quantistico reale. Abbiamo sviluppato un modello di informazione quantistica per imitare il comportamento dei sistemi biologici ispirato dalle leggi della selezione naturale, dicono.
I passaggi coinvolti nell'evoluzione sono ben noti. Inizia con una popolazione di individui in grado di riprodursi. Successivamente, deve esserci un processo di selezione che consenta agli individui più adattati di produrre più prole rispetto a quelli meno adattati. E ci deve anche essere un modo per introdurre il cambiamento tra una generazione e l'altra attraverso la mutazione casuale o la ricombinazione sessuale.
L'ingrediente finale è l'iterazione. Quando questi passaggi si ripetono nel corso di molte innumerevoli generazioni, gli individui che emergono sono quelli che si sono evoluti per sopravvivere meglio in un dato ambiente.
Almeno, è così che funziona nel mondo classico sia in ambienti reali che virtuali. Ma il mondo quantistico è diverso. A prima vista, non è del tutto chiaro come qualcosa di simile possa accadere in un ambiente quantistico.
Ma Alvarez-Rodriguez e compagni hanno sviluppato un modo per farlo. Iniziano creando individui quantistici in grado di riprodursi in un ambiente quantistico.
Queste creature sono composte da due parti. Il primo svolge il ruolo del DNA; è l'informazione che viene trasmessa da una generazione all'altra. Il secondo interpreta il ruolo del corpo della creatura, è la parte che interagisce con l'ambiente, invecchia e alla fine muore. Queste parti agiscono come un genotipo e un fenotipo per l'organismo.
Le creature possono riprodursi in due modi. Il primo è asessuale: il DNA quantistico si separa dal suo corpo ed è quindi disponibile per unirsi a un altro corpo quantistico per creare un nuovo individuo. Ciò crea una copia identica dell'originale, ma le mutazioni possono verificarsi per mezzo di processi fisici che cambiano casualmente il corpo tra le vite.
Il secondo modo è la riproduzione sessuale. Quando due creature si incontrano, si riproducono scambiando il DNA quantistico per produrre un nuovo genoma che contenga elementi di entrambi. Questo è quindi disponibile per unirsi a un corpo per creare un organismo con un genotipo completamente nuovo.
Naturalmente, la meccanica che governa tutto questo è interamente di natura quantistica. L'operazione che passa le informazioni da una generazione all'altra è una forma di clonazione quantistica che trasferisce le informazioni da una particella all'altra. La mutazione è una specie di operazione logica, come una rotazione, che cambia le informazioni quantistiche trasportate da una particella.
Questo tipo di vita avrebbe alcune proprietà uniche. L'entanglement tra diversi individui ci consente di clonare l'informazione classica e propagare le coerenze quantistiche delle unità viventi quantistiche iniziali alle generazioni successive, afferma Alvarez-Rodriguez e co.
In altre parole, la quantistica passa da una generazione all'altra tramite l'entanglement quantistico. Quindi ogni individuo e i suoi discendenti condividono un potente legame poiché le particelle aggrovigliate condividono effettivamente la stessa esistenza.
Ma questo ha importanti conseguenze computazionali. La simulazione risultante è così complessa che può essere eseguita su un computer classico solo per un piccolo numero di generazioni e questo limita fortemente ciò che si può apprendere sulla natura della vita quantistica.
Quello che serve, ovviamente, è un modello puramente quantistico. E qui Alvarez-Rodriguez e compagni affermano che ciò dovrebbe essere possibile con le tecnologie che sono ora disponibili.
Sottolineano che i tipi più semplici di vita quantistica devono consistere solo in due qubit, uno che rappresenta il genotipo e l'altro che rappresenta il fenotipo. Questi qubit devono semplicemente essere uniti.
Questo dovrebbe essere relativamente semplice con gli ioni intrappolati, ad esempio, con i quali i fisici hanno una notevole esperienza. In questo caso, l'informazione quantistica può essere immagazzinata nei vari livelli di energia di uno ione. Le interazioni tra gli ioni ei qubit che contengono possono quindi essere mediate tramite operazioni logiche che combinano questi stati, li ruotano e così via. Operazioni simili sono possibili anche con fotoni e qubit superconduttori.
È un lavoro interessante con un potenziale entusiasmante. Ciò che serve ora è qualcuno con una struttura a ioni intrappolati o un banco di ottica quantistica e qualche ora libera per giocare con questo tipo di modello. Un tale modello potrebbe esplorare come si evolvono gli individui quantistici in ambienti specifici.
Un simile esperimento ha il potenziale per cambiare il modo in cui i ricercatori pensano alla vita e, in effetti, alla quantistica. Ogni volta che viene fuori l'idea della vita quantistica, sorge presto una semplice domanda. È così che gli esperimenti sulla vita quantistica possono gettare luce sull'origine della vita stessa.
Il pensiero su questo argomento sta cambiando rapidamente. Non molto tempo fa i biologi giuravano ciechi che i processi quantistici non avrebbero mai potuto svolgere un ruolo nei meccanismi della vita o nella sua origine.
Oggi non sono così sicuri. I processi quantistici sembrano essere al centro di tutti i tipi di fenomeni biologici come la fotosintesi, il nostro senso dell'olfatto e persino la navigazione degli uccelli.
Solo un ricercatore coraggioso sosterrebbe che non avrebbero potuto avere un ruolo nell'origine della vita. Ed è un lavoro come questo che potrebbe aiutare a esplorare questa importante domanda in modo più dettagliato che mai.
Rif: arxiv.org/abs/1505.03775 : Vita artificiale nelle tecnologie quantistiche