[Перевод] Исследователи впервые создали симулятор жизни на квантовом компьютере
«Наше исследование перенесло эти удивительные и сложные события, называемые жизнью, в микроскопический мир атомов — и это сработало»
Международная команда исследователей впервые использовала квантовый компьютер для создания искусственной жизни — симуляции живых организмов, которую учёные могут задействовать, чтобы разобраться в жизни на уровне популяций и ниже, вплоть до межклеточных взаимодействий.
На квантовом компьютере отдельные живые организмы, представленные на микроскопическом уровне при помощи сверхпроводящих кубитов, заставляли «спариваться», взаимодействовать с окружающей средой и «умирать», моделируя важнейшие из факторов, влияющих на эволюцию.
Новое исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, стало прорывом, который, возможно, в итоге поможет ответить на вопрос о том, можно ли объяснить происхождение жизни квантовой механикой — физической теорией, описывающей Вселенную в терминах взаимодействий между субатомными частицами.
Моделирование квантовой искусственной жизни — это новый подход к одному из наиболее беспокоящих учёных вопросов: как жизнь появляется из инертной материи, из «первичного бульона» органических молекул, когда-то существовавшего на Земле?
Впервые идею о том, что ответ может находиться в квантовой области, предложил в 1944 году Эрвин Шрёдингер в своей влиятельной книге «Что есть жизнь?». Но прогресс в этой области тормозился из-за сложностей с созданием мощных квантовых компьютеров, требовавшихся для проведения симуляций, способных ответить на этот вопрос.
Обычные, «классические» компьютеры, один из которых вы используете для чтения этой статьи, обрабатывают информацию в виде двоичных битов — единиц информации, значение которых может принимать величину 0 или 1. В отличие от них, квантовые компьютеры используют кубиты, значение которых может представлять собой комбинацию 0 и 1. Такое их свойство, суперпозиция, означает, что мощность крупномасштабных квантовых компьютеров будет серьёзно превосходить мощность классических.
Целью команды исследователей из Баскского научного фонда, работавших под руководством Энрике Солано, было создание компьютерной модели, воспроизводящей процессы Дарвиновской эволюции на квантовом компьютере. Для этого исследователи использовали квантовый процессор на пять кубитов, разработанный в IBM, доступ к которому возможен по облачной технологии.
Этот квантовый алгоритм симулировал основные биологические процессы, такие, как самовоспроизведение, мутации, взаимодействие между индивидами и смерть, на уровне кубитов. В итоге получилась точная симуляция эволюционного процесса, происходящего на микроскопическом уровне.
«Жизнь — это сложная макроскопическая особенность, возникающая из неживой материи, а квантовая информация — это особенность кубитов, микроскопических изолированных объектов, происходящая во вселенной очень малого, — рассказал мне Солано по почте. — Наше исследование перенесло эти удивительные и сложные события, называемые жизнью, в микроскопический мир атомов — и это сработало».
Индивиды были представлены в модели при помощи двух кубитов. Один кубит представлял собой отдельный генотип, генетический код, стоявший за определённой особенностью, а другой — фенотип, физическое выражение этой особенности.
Для моделирования самовоспроизведения алгоритм копировал математическое ожидание (среднее значение вероятности результатов всех возможных измерений) генотипа в новый кубит при помощи запутывания, процесса, связывающего вместе кубиты так, что они мгновенно обмениваются информацией. Для учёта мутаций исследователи внесли в код алгоритма случайные повороты кубитов, и применяли его для кубитов генотипа.
Затем алгоритм смоделировал взаимодействие между индивидуумами и их окружением, представлявшее старение и смерть. Это было сделано при помощи передачи нового генотипа с шага самовоспроизведения в другой кубит при помощи запутывания. Новый кубит представлял фенотип индивида. Время жизни индивида — сколько времени требуется информации на то, чтобы деградировать или рассеяться в процессе взаимодействия с окружающей средой — зависит от информации, закодированной в генотипе.
Наконец, эти индивиды взаимодействовали друг с другом. Это требовало четырёх кубитов (двух генотипов и двух фенотипов), но фенотипы взаимодействовали и обменивались информацией, только если они удовлетворяли определённым критериям, закодированным в их генотипных кубитах.
Взаимодействие производило нового индивида, и процесс повторялся вновь. В сумме исследователи повторили этот процесс более 24 000 раз.
«Наши квантовые индивиды действовали под влиянием попыток адаптации в рамках Дарвиновской квантовой эволюции, что, по сути, передавало квантовую информацию через поколения более крупных мультикубитных запутанных состояний», — писали исследователи.
Теперь, когда работа алгоритма квантовой искусственной жизни была продемонстрирована, следующим шагом будет масштабировать его для работы с большим количеством индивидов и расширить их способности. К примеру, Солано рассказал мне, что они с коллегами работают над возможностью добавить кубитам «половые особенности», чтобы глубже изучить социальные и половые взаимодействия на квантовом уровне.
«Мы можем обнаружить, что лучше — два пола, или, возможно, ни одного, для блага вида, его выживания и развития», — сказал Солано.
Кроме этого Солано сообщил, что они с коллегами хотят увеличить количество взаимодействий, происходящих между индивидами в симуляции. Но это зависит от возможностей самого компьютерного оборудования.
Хотя в последние коды квантовые вычисления очень сильно продвинулись, у них впереди ещё очень долгий путь — в основном из-за капризной природы кубитов. Они невероятно чувствительны к шуму; их можно реализовать только в рамках сложных и дорогих систем, способных экранировать их от внешних воздействий, а это обычно означает наличие множества лазеров, экзотических материалов и крайне низких температур.
Но и после всех этих ухищрений заставить несколько десятков кубитов работать сообща оказывается сложной задачей. В этом году компания Google уже установила рекорд с процессором из 72 кубитов, но это ещё очень далеко от истинного квантового превосходства, теоретической точки, в которой квантовые компьютеры смогут опередить наиболее мощные из классических компьютеров Земли.
И хотя компьютерные технологии, необходимые для достижения квантового превосходства, ещё не появились, работа Solano и его коллег в принципе может привести к появлению квантовых компьютеров, способных автономно моделировать эволюцию без того, чтобы сначала задавать им написанный людьми алгоритм.
