Создана квантовая версия жизни

Ученые-информатики давно играют с искусственными формами жизни, созданными из компьютерного кода. В цифровой симуляции жизни все происходит так же, как в органическом мире. Самый устойчивый и приспособившийся к окружающей среде код оставляет большое «потомство» в виде вторичных кодов, а неприспособленный умирает. Другими словами, код эволюционирует. На его примере можно изучать различные аспекты эволюции и возникновения сложности. Это полностью классический процесс, следующий обычным ньютоновским шагам. В реальном мире, с другой стороны, есть квантовая механика и ее странные феномены. Таким образом, возникает вопрос, какую роль играет квантовая механика в эволюции и происхождении жизни? Для того чтобы ответить на него, следует создать искусственные квантовые формы жизни.

Унаи Альварес-Родригес и его коллеги провели следующий эксперимент: они разделили квантовую «жизнь» на две части — генотип и фенотип. Как и в случае углеродной жизни, квантовый генотип состоит из квантовой информации, которая описывает генетический код индивидуума. Генотип — часть квантовой единицы жизни, которая передается от одного поколения другому. Фенотип же — это проявление генотипа, которая взаимодействует с реальным миром — это «тело» индивидуума. «Это состояние, вместе с информацией, которая в нем закодирована, разрушается с ходом жизни индивидуума», — говорит Альварес-Родригес.

Каждая единица квантовой «жизни» состоит из двух кубитов — один для генотипа, и один для фенотипа. «Цель исследований — воссоздать характерные особенности дарвиновской эволюции, приспособленной к языку квантовых алгоритмов и квантового вычисления», — говорят ученые.

Первый шаг в эволюционном процессе — это размножение. На квантовом уровне это было решено посредством запутанности, которая позволяет переносить квантовые состояния с одного объекта на другой. В данном случае, кубит генотипа передавал квантовую информацию. Второй шаг — выживание, которое зависит от фенотипа. Для этого аспект состояния генотипа был перенесен на пустое состояние, которое стало фенотипом. Затем фенотип взаимодействовал со средой и, в конце концов, рассеивался. Этот процесс эквивалентен старению и умиранию в органическом мире, и время, которое на него требуется, зависит от генотипа. Те «организмы», которые смогли прожить дольше, лучше приспособлены к среде и обладают преимуществом в воспроизводстве в следующем поколении.

Есть другой важный аспект эволюции — как индивидуумы отличаются друг от друга. В обычной эволюции есть два варианта: через половую рекомбинацию, когда сочетаются генотипы двух индивидуумов; или через мутации, когда в ходе репродуктивного процесса происходят случайные изменения генотипа. Альварес-Родригес сотоварищи выбрал второй путь, введя ротацию квантовых состояний в качестве случайных изменений при передаче квантовой информации.

Впрочем, это все теория, на практике сам эксперимент был гораздо сложнее, поскольку полноценные квантовые компьютеры еще не существуют. Тем не менее, ученым удалось использовать 5-кубитную симуляцию квантового компьютера IBM QX, пропустив через нее примерно 275 000 квантовых алгоритмов.

Результаты совпали с теоретическими предсказаниями с большой точностью, воспроизведя характерные особенности искомого сценария квантового естественного отбора. Важную роль сыграли мутации, которые, как и в классическом мире, помогали адаптироваться к изменениям среды.

Развитие квантовых компьютеров позволит усложнить модель и включить возможность квантовых форм «жизни» взаимодействовать друг с другом и размножаться «половым путем» — сочетая элементы своих генотипов. К чему это приведет — неизвестно, но Альварес-Родригес надеется, что его эксперимент станет важным инструментом изучения сложности квантового мира, пишет MIT Technology Review.

По мнению биохимиков Чарльза Картера и Питера Уилса, жизнь на Земле появилась в результате тесного взаимодействия нуклеиновых кислот и белков пептидов, что противоречит распространенной теории РНК. Ученые смогли найти доказательства своей гипотезы.