La simulación cuántica podría arrojar luz sobre los orígenes de la vida

¿Qué papel juega la mecánica cuántica en la maquinaria de la vida? Nadie está seguro, pero en los últimos años, los físicos han comenzado a investigar todo tipo de posibilidades. En el proceso, han reunido evidencia que sugiere que la mecánica cuántica juega un papel importante en la fotosíntesis, en la navegación de las aves y quizás en nuestro sentido del olfato.

Incluso hay una línea especulativa de pensamiento de que los procesos cuánticos deben haber gobernado el origen de la vida misma y la formulación del código genético. El trabajo para estudiar estas preguntas está en curso e implica una observación cuidadosa de las moléculas de la vida.

Pero hay otra forma de abordar esta cuestión de abajo hacia arriba. Los informáticos han jugado durante mucho tiempo con formas de vida artificial construidas a partir de código informático. Este código vive en un paisaje basado en silicio donde su idoneidad se mide frente a algunos criterios de selección.

El proceso de evolución cuántica y la creación de vida cuántica artificial

Se reproduce por combinación con otro código o por mutación de su propio código. Y el código más apto tiene más descendencia mientras que el menos apto muere. En otras palabras, el código evoluciona. Los informáticos han utilizado este enfoque para estudiar varios aspectos de la vida, la evolución y el surgimiento de la complejidad.

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

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

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Unai Alvarez-Rodriguez y algunos amigos de la Universidad del País Vasco en España. Estos chicos han creado una versión cuántica de vida artificial por primera vez. Y dicen que sus resultados son los primeros ejemplos de evolución cuántica que permiten a los físicos explorar la forma en que surge la complejidad en el mundo cuántico.

El experimento es simple en principio. El equipo piensa que la vida cuántica consta de 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 al individuo: su código genético. El genotipo es la parte de la unidad cuántica de vida que se transmite de una generación a la siguiente.

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, dicen Álvarez-Rodríguez y compañía.

Entonces, cada unidad de vida cuántica consta de dos qubits, uno que representa el genotipo y el otro el fenotipo. El objetivo es reproducir los procesos característicos de la evolución darwiniana, adaptados al lenguaje de los algoritmos cuánticos y la computación cuántica, dice el equipo.

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

La siguiente etapa es la supervivencia, que depende del fenotipo. Álvarez-Rodríguez y compañía hacen esto transfiriendo un aspecto del estado del genotipo a otro estado en blanco, que se convierte en el fenotipo. Luego, el fenotipo interactúa con el medio ambiente y eventualmente se disipa.

Este proceso es equivalente al envejecimiento y la muerte, y el tiempo que lleva depende del genotipo. Los que viven más se adaptan implícitamente mejor a su entorno y se reproducen preferentemente en la siguiente 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.

Álvarez-Rodríguez y compañía emplean 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.

Así que esa es la teoría. El experimento en sí es complicado porque las computadoras cuánticas aún están en pañales. Sin embargo, Álvarez-Rodríguez y compañía han hecho uso de IBM QX, una computadora cuántica superconductora en T.J. Watson Laboratories que la empresa ha puesto a disposición del público a través de la nube. La compañía afirma que unas 40.000 personas se han registrado para usar el servicio y juntos han ejecutado unos 275.000 algoritmos cuánticos a través del dispositivo.

Álvarez-Rodríguez y compañía utilizaron la versión de cinco qubits de la máquina, que ejecuta algoritmos cuánticos que permiten interacciones de dos qubits. Sin embargo, el sistema impone algunas limitaciones en el proceso de evolución que el equipo quiere ejecutar. Por ejemplo, no permite que las variaciones introducidas durante el proceso reproductivo sean aleatorias.

En cambio, el equipo ejecuta el experimento varias veces, introduciendo una rotación conocida diferente en cada ejecución, y luego analizan los resultados juntos. En total, ejecutan el experimento miles de veces para tener una buena idea de los resultados.

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

Y el equipo dice que las mutaciones tienen un impacto importante en los resultados: [ellos] mejoraron significativamente la fidelidad del resultado del algoritmo cuántico. Eso no es tan diferente del mundo clásico, donde las mutaciones ayudan a las especies a adaptarse a entornos cambiantes.

Por supuesto, hay advertencias importantes. Las limitaciones de la computadora cuántica de IBM plantean preguntas importantes sobre si el equipo realmente ha simulado la evolución. Pero estos problemas deberían resolverse en un futuro próximo.

Todo este trabajo es el resultado del enfoque prolongado del equipo en la vida cuántica. En 2015, informamos sobre el trabajo del equipo en la simulación de la vida cuántica en una computadora clásica. Ahora han dado el primer paso para probar estas ideas en una computadora cuántica real.

Y el futuro parece brillante. La tecnología informática cuántica avanza rápidamente, lo que debería permitir a Álvarez-Rodríguez y compañía crear vida cuántica en entornos más complejos. IBM, por ejemplo, tiene un procesador de 20 qubits en línea y está probando una versión de 50 qubits.

Eso hará posible una variedad de nuevos experimentos sobre la vida cuántica. La más obvia incluirá la capacidad de las formas de vida cuánticas para interactuar entre sí y tal vez reproducirse por recombinación sexual, en otras palabras, combinando elementos de sus genotipos. Otra posibilidad será permitir que las formas de vida cuánticas se muevan y ver cómo esto influye en sus interacciones y aptitudes para la supervivencia.

Lo que surgirá no está claro. Pero Álvarez-Rodríguez y compañía esperan que sus formas de vida cuánticas se conviertan en modelos importantes para explorar el surgimiento de la complejidad en el mundo cuántico.

Eventualmente, eso debería alimentar 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 subsiguiente será fascinante de ver.

Ref: arxiv.org/abs/1711.09442 : Vida artificial cuántica en una computadora cuántica de IBM

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