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Computación

¿Podría arrojar luz sobre el origen de la vida la simulación cuántica?

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Un equipo de la Universidad del País Vasco (España) utiliza la computación cuántica para arrojar luz sobre el proceso de la evolución y el posible papel de la mecánica cuántica en ello

  • por Emerging Technology From The Arxiv | traducido por Teresa Woods
  • 12 Diciembre, 2017

¿Qué papel juega la mecánica cuántica en la maquinaria de la vida? Nadie está seguro, pero durante los últimos años los físicos han empezado a investigar todo tipo de posibilidades. Gracias a ello, han reunido pruebas que sugieren que la mecánica cuántica juega un papel importante en la fotosíntesis, en la orientación de las aves y tal vez en nuestro sentido del olfato.

Incluso hay una línea de pensamiento que especula con que los procesos cuánticos deben haber regido el origen de la vida misma y la formulación del código genético. Los trabajos que estudian estas cuestiones están en progreso ahora mismo e implican una cuidadosa observación de las moléculas que componen la vida.

Pero hay otra forma de abordar esta cuestión de abajo hacia arriba. Los científicos informáticos llevan tiempo jugando con formas de vida artificial construidas a partir de líneas de código informático. Estos programas viven en un paisaje basado en silicio donde su aptitud se mide en función de algunos criterios de selección.

El proceso de evolución cuántica y la creación de la vida cuántica artificialFoto: El proceso de evolución cuántica y la creación de vida artificial cuántica.

La vida computacional se reproduce al combinar su código con el de otros programas y mediante la mutación de su propio código. El programa más apto tiene más descendencia, el menos apto se extingue. En otras palabras, el código evoluciona. Los científicos informáticos han utilizado este enfoque para estudiar diversos aspectos de la vida, la evolución y la aparición de la complejidad.

Este es un proceso completamente clásico que sigue pasos newtonianos ordinarios, uno después del otro. El mundo real, por otro lado, incluye la mecánica cuántica y los fenómenos extraños que esta permite. Así surge la pregunta de si la mecánica cuántica puede desempeñar un papel en la evolución e incluso en el origen de la vida misma.

Entonces, un primer paso importante consiste en reproducir este proceso de evolución dentro del mundo cuántico, creando formas artificiales de vida cuántica. ¿Pero es esto posible?

Hoy tenemos una respuesta gracias al trabajo de Unai Álvarez-Rodríguez y varios de sus compañeros de la Universidad del País Vasco (España). Han creado por primera vez una versión cuántica de la vida artificial. Y afirman que sus resultados son los primeros ejemplos de evolución cuántica que permiten a los físicos explorar la forma en la que surge la complejidad en el mundo cuántico.

En principio, el experimento es sencillo. El equipo imagina la vida cuántica formada por dos partes: un genotipo y un fenotipo. Al igual que con la vida basada en el carbono, el genotipo cuántico contiene la información cuántica que describe el individuo: su código genético. El genotipo es la parte de la unidad de vida cuántica que se transmite de una generación a otra.

El fenotipo, por otro lado, es la manifestación del genotipo que interactúa con el mundo real, el "cuerpo" del individuo. "Este estado, junto con la información que codifica, se degrada durante la vida del individuo", escribe el equipo de Álvarez-Rodríguez.

De modo que cada unidad de la vida cuántica consta de dos cúbits: uno que representa el genotipo y otro que representa el fenotipo. "El objetivo es reproducir los procesos característicos de la evolución darwiniana, adaptados al lenguaje de los algoritmos cuánticos y la computación cuántica", explica el equipo.

El primer paso del proceso evolutivo es la reproducción. El equipo de Álvarez-Rodríguez lo logra mediante el proceso de entrelazamiento, que permite la transmisión de estados cuánticos de un objeto a otro. En este caso, entrelazan el cúbit de genotipo con un estado en blanco y luego transfieren su información cuántica.

La siguiente etapa es la supervivencia, que depende del fenotipo. El equipo de Álvarez-Rodríguez hace esto al transferir un aspecto del estado del genotipo a otro estado en blanco, que se convierte en el fenotipo. El fenotipo luego interactúa con el ambiente y finalmente se disipa.

Este proceso es equivalente al envejecimiento y la muerte, y el tiempo que tarda depende del genotipo. Aquellos que viven más tiempo están implícitamente mejor adaptados a su entorno y se reproducen de manera preferente en la próxima generación.

Hay otro aspecto importante de la evolución: cómo los individuos difieren entre sí. En la evolución ordinaria, la variación ocurre de dos maneras. La primera es a través de la recombinación sexual, donde se combina el genotipo de dos individuos. El segundo es por mutación, donde ocurren cambios aleatorios en el genotipo durante el proceso reproductivo.

El equipo de Álvarez-Rodríguez emplea este segundo tipo de variación en su mundo cuántico. Cuando la información cuántica se transfiere de una generación a la siguiente, el equipo introduce un cambio aleatorio, en este caso una rotación del estado cuántico. Y esto, a su vez, determina el fenotipo y cómo interactúa con su entorno.

Esa es la teoría. El experimento en sí es complicado porque los ordenadores cuánticos todavía están en su infancia. Sin embargo, el equipo de Álvarez-Rodríguez ha utilizado el IBM QX, un ordenador cuántico superconductor alojado en los laboratorios del centro de investigación Thomas J. Watson de IBM y que la compañía permite usar a través de la nube. La compañía afirma que se han registrado unas 40.000 personas para utilizar el servicio y ejecutar en total unos 275.000 algoritmos cuánticos.

El equipo de Álvarez-Rodríguez usó la versión de cinco cúbits de la máquina, que ejecuta algoritmos cuánticos con interacciones de dos cúbits. Sin embargo, el sistema impone algunas limitaciones para el proceso de evolución que el equipo desea probar. Por ejemplo, no permite que las variaciones introducidas durante el proceso reproductivo sean aleatorias.

En su lugar, el equipo lleva a cabo el experimento varias veces con una rotación diferente conocida en cada uno. Después, analiza el conjunto de los resultados. En total, ejecutaron el experimento miles de veces para hacerse una idea clara de los resultados.

En general, los resultados coinciden con las predicciones teóricas con alta fidelidad. "Los experimentos reproducen las propiedades características del escenario de selección natural cuántica buscado", afirma el equipo de Álvarez-Rodríguez.

Los investigadores también aseguran que las mutaciones tienen un impacto importante sobre los resultados: "Mejoraron significativamente la fidelidad del resultado del algoritmo cuántico". Eso no difiere tanto del mundo clásico, donde las mutaciones ayudan a las especies a adaptarse a entornos cambiantes.

Por supuesto, existen salvedades importantes. Las limitaciones del ordenador cuántico de IBM plantean serias dudas sobre si el equipo realmente ha simulado la evolución. Pero son las mismas dudas que probablemente se podrán limar y reducir en un futuro cercano.

Todo este trabajo es el resultado del enfoque a largo plazo del equipo en la vida cuántica. En 2015 ya informamos sobre su trabajo en la simulación de la vida cuántica con un ordenador clásico. Ahora han dado el primer paso para probar estas ideas en un verdadero ordenador cuántico.

Y el futuro parece prometedor. Las tecnologías de informática cuántica están avanzando rápidamente, lo que debería permitirle al equipo de la Universidad del País Vasco crear vida cuántica en entornos más complejos. IBM, por ejemplo, tiene un procesador de 20 cúbits en línea y ya está probando una versión de 50 cúbits.

Esa potencia computacional permitirá toda una variedad de nuevos experimentos de vida cuántica. El más obvio incluirá la capacidad de las formas de vida cuántica de interactuar entre sí y quizás de reproducirse por recombinación sexual. En otras palabras, mediante la combinación de elementos de sus genotipos. Otra posibilidad será permitir que las formas de vida cuántica se muevan y estudiar cómo influye en sus interacciones y su aptitud para la supervivencia.

No está claro qué emergerá exactamente de los experimentos, pero el equipo de Álvarez-Rodríguez espera que sus formas de vida cuántica se conviertan en modelos importantes que sirvan para explorar el surgimiento de la complejidad en el mundo cuántico.

Finalmente, todo eso debería mejorar nuestra comprensión del papel de los procesos cuánticos en las formas de vida basadas en el carbono y el origen de la vida misma. El debate resultante será fascinante.

Ref: arxiv.org/abs/1711.09442 : Quantum Artificial Life in an IBM Quantum Computer

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