“我们的研究把这些被称为‘生命’的高度复杂事件引入到原子领域和微观世界……并获得了成效。”

近日,一支国际研究团队有史以来第一次使用量子计算机创造出了人工生命,也就是对生物体的模拟。科学家可以藉此理解各个层面上的生命,大到整个种群,小至细胞间的相互作用。

利用量子计算机,科学家用超导量子比特在微观水平上表示个体生物体,并让它们进行“交配”,跟周围环境互动以及“死亡”,以此来模拟影响进化的一些主要因素。

这项具有突破性的新研究发表在10月4日的《科学报告》(Scientific Reports)杂志上,它可能有助于科学家回答这样一个问题,即生命的起源是否可以用量子力学来解释,这是一种用亚原子粒子之间的相互作用来描述宇宙的物理理论。

生命是如何从非活性物质中诞生出来的,比如说曾经存在于地球上的有机分子“原始汤”?这是科学中最令人困惑的问题之一,而对量子人工生命进行建模是解答该问题的新方法。

1944年,埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)在关于这一主题的开创性著作《生命是什么》(What is Life?)中首次提出,答案可能藏在量子领域。但是,寻找答案的进程被耽搁了,因为创造用以模拟的量子计算机难度很大。

不同于你用来阅读本文、只能处理比特信息(也就是值非0即1的信息单位)的普通“经典”计算机,量子计算机使用的是量子比特(也就是值可以又0又1的信息单位)。这种特性被称为叠加态,意味着大型量子计算机将具备远超经典计算机的信息处理能力。

这支研究团队由来自巴斯克科学基金会(Basque Foundation for Science)的物理学家恩里克·索拉诺(Enrique Solano)领导,他们的目标是创建一个计算机模型,在量子计算机上复制达尔文式的进化过程。为此,研究人员使用了IBM开发的5量子比特量子处理器,该处理器可通过云端访问。

该团队的量子算法在量子比特层面上模拟了重要的生物过程,比如自我复制、突变、个体间的相互作用以及死亡。最终结果是,他们精确模拟了在微观层面上发挥作用的进化过程。

“生命是一种复杂的宏观特征,它源于无生命的物质,与此同时,量子信息是量子比特的特征,而这种量子比特是出现在极小宇宙中的微观孤立对象,”索拉诺在接收电邮采访时表示,“我们的研究把这些被称为‘生命’的高度复杂事件引入到原子领域和微观世界……并获得了成效。”

在模型中,研究人员使用两个量子比特来表示个体。一个量子比特代表着个体的基因型(即决定特定性状的遗传密码),另一个量子比特代表着个体的表现型(即那种性状的生理表达)。

为了模拟自我复制,研究人员的算法通过量子纠缠(一种把量子比特连接起来的过程,以便它们可以即时交换信息)将基因型的期望值(所有潜在测量结果概率的平均值)复制到了一个新的量子比特当中。为了模拟突变,研究人员在应用于基因型量子比特的算法中编入了随机的量子比特旋转。

然后,该算法模拟了个体与周围环境的相互作用,代表了衰老以及最终的死亡。为了完成这一步,算法从前一步的自我复制动作中获取新的基因型,并通过纠缠将其转移到另一个量子比特。新的量子比特代表着个体的表现型,个体的生命周期(即信息通过与环境相互作用发生降解或消散所用的时间)取决于编入该表现型的信息。

最后,算法模拟了个体之间的互动。这需要用到4个量子比特(2个基因型和2个表现型),但表现型只有在满足特定标准时(这已经编入了它们的基因型量子比特)才会进行互动和信息交换。

这种互动产生了一个新的个体,整个过程周而复始。研究人员总计将这一过程重复了24,000多次。

“我们的量子个体受到了量子达尔文式进化的适应努力的驱动,它在更大的多量子比特纠缠态世代间有效地传递了量子信息,”研究人员写道。

既然研究人员已经演示了一种量子人工生命算法,那么下一步将是扩大算法以容纳更多个体以及扩展个体所具有的特征。例如,索拉诺告诉笔者,他和同事正在研究为量子比特添加“性别特征”的可能性,以期进一步探索量子层面的社交和性别互动。

“我们可能发现,对于物种的生存和繁殖来说,可能两种以上的性别更好,或者没有性别之分更好,”索拉诺说道。

除此之外,索拉诺表示,他和同事希望扩大其量子人工生命模拟中个体之间的互动数量。不过,说到底这要取决于科学家升级量子计算硬件的能力。

虽然量子计算机在近些年取得了重大进展,但前方还有很长的路要走,这在很大程度上是拜量子比特的挑剔特性所赐。量子比特对噪音非常敏感;它们只可以在能够保护它们免受外部干扰的复杂且昂贵的系统中制备,那通常需要很多激光设备、特殊材料以及超低温条件。

即便如此,制备数十个量子比特的纠缠态已被证明困难重重。今年早些时候,谷歌实现了72量子比特处理器,创下了一项世界纪录。不过,那距离“量子优越性”还有很远的距离——所谓“量子优越性”,是指量子计算机超越地球上最强大经典计算机的理论节点。

虽然实现“量子优越性”所需的计算技术尚未完全到位,但索拉诺及其同事的研究工作可能最终给我们带来这样一种量子计算机,它能在没有馈入人工算法的情况下自主地模拟进化。


翻译:何无鱼

审校:李莉

编辑:漫倩

来源:Motherboard

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