La vida cuántica propaga el enredo entre generaciones

Los informáticos saben desde hace tiempo que la evolución es un proceso algorítmico que tiene poco que ver con la naturaleza de las bestias que crea. En cambio, la evolución es un conjunto de pasos simples que, cuando se repiten muchas veces, pueden resolver problemas de inmensa complejidad; el problema de crear el cerebro humano, por ejemplo, o de construir un ojo.

Y, por supuesto, el problema de crear vida. Ponga un algoritmo evolutivo a trabajar en un entorno virtual y no tardará mucho en crear organismos similares a la vida en silico que viven y se reproducen completamente dentro de un entorno virtual basado en computadora.

Este tipo de vida no se basa en el carbono ni en el silicio. Es un fenómeno de pura información. Pero si la naturaleza de la información permite simular el proceso de evolución en una computadora ordinaria, ¿por qué no también en una computadora cuántica? La vida resultante existiría en un entorno cuántico virtual regido por las extrañas leyes de la mecánica cuántica. Como tal, sería completamente diferente a todo lo que los biólogos hayan encontrado o imaginado.

Pero, ¿qué forma podría tomar la vida cuántica? Hoy tenemos una idea de esta pregunta gracias al trabajo de Unai Alvarez-Rodriguez y algunos amigos de la Universidad del País Vasco en España. Han simulado la forma en que evoluciona la vida en un entorno cuántico y lo utilizan para proponer cómo se podría hacer por primera vez en un entorno cuántico real. Hemos desarrollado un modelo de información cuántica para imitar el comportamiento de los sistemas biológicos inspirados en las leyes de la selección natural, dicen.

Los pasos involucrados en la evolución son bien conocidos. Comienza con una población de individuos capaces de reproducirse. Luego, debe haber un proceso de selección que permita a los individuos mejor adaptados producir más descendencia que los menos adaptados. Y también debe haber una forma de introducir cambios entre una generación y la siguiente a través de mutaciones aleatorias o por recombinación sexual.

El ingrediente final es la iteración. Cuando estos pasos se repiten a lo largo de incontables generaciones, los individuos que emergen son aquellos que han evolucionado para sobrevivir mejor en el entorno dado.

Al menos, así funciona en el mundo clásico tanto en entornos reales como virtuales. Pero el mundo cuántico es diferente. A primera vista, no está del todo claro cómo podría ocurrir algo similar en un entorno cuántico.

Pero Álvarez-Rodríguez y compañía han desarrollado una forma de hacerlo. Comienzan creando individuos cuánticos capaces de reproducirse en un entorno cuántico.

Estas criaturas constan de dos partes. El primero juega el papel del ADN; es la información que se transmite de una generación a la siguiente. El segundo hace el papel del cuerpo de la criatura, es la parte que interactúa con el entorno, envejece y eventualmente muere. Estas partes actúan como un genotipo y fenotipo para el organismo.

Las criaturas pueden reproducirse de dos maneras. El primero es asexual: el ADN cuántico se separa de su cuerpo y luego está disponible para unirse a otro cuerpo cuántico para crear un nuevo individuo. Eso crea una copia idéntica del original, pero las mutaciones pueden ocurrir por medio de procesos físicos que cambian aleatoriamente el cuerpo entre vidas.

La segunda forma es la reproducción sexual. Cuando dos criaturas se encuentran, se reproducen intercambiando ADN cuántico para producir un nuevo genoma que tiene elementos de ambos. Esto luego está disponible para unirse con un cuerpo para crear un organismo con un genotipo completamente nuevo.

Por supuesto, la mecánica que gobierna todo esto es de naturaleza completamente cuántica. La operación que pasa información de una generación a la siguiente es una forma de clonación cuántica que transfiere la información de una partícula a otra. La mutación es un tipo de operación lógica, como una rotación, que cambia la información cuántica que lleva una partícula.

Este tipo de vida tendría algunas propiedades únicas. El entrelazamiento entre diferentes individuos nos permite clonar la información clásica y propagar las coherencias cuánticas de las unidades vivas cuánticas iniciales a las generaciones sucesivas, dice Álvarez-Rodríguez y compañía.

En otras palabras, la cuántica pasa de una generación a la siguiente a través del entrelazamiento cuántico. Entonces, cada individuo y sus descendientes comparten un vínculo poderoso ya que las partículas entrelazadas comparten efectivamente la misma existencia.

Pero esto tiene importantes consecuencias computacionales. La simulación resultante es tan compleja que solo se puede realizar en una computadora clásica durante un pequeño número de generaciones y esto limita severamente lo que se puede aprender sobre la naturaleza de la vida cuántica.

Lo que se necesita, por supuesto, es un modelo puramente cuántico. Y aquí Álvarez-Rodríguez y compañía dicen que esto debería ser posible con las tecnologías que están disponibles ahora.

Señalan que los tipos más simples de vida cuántica solo necesitan consistir en dos qubits: uno que representa el genotipo y el otro que representa el fenotipo. Estos qubits simplemente necesitan unirse.

Esto debería ser relativamente sencillo con iones atrapados, por ejemplo, con los que los físicos tienen una experiencia considerable. En este caso, la información cuántica se puede almacenar en los distintos niveles de energía de un ion. Las interacciones entre los iones y los qubits que contienen se pueden mediar a través de operaciones lógicas que combinan estos estados, los rotan, etc. También son posibles operaciones similares con fotones y qubits superconductores.

Es un trabajo interesante con un potencial emocionante. Lo que se necesita ahora es alguien con una instalación de iones atrapados o un banco de óptica cuántica y algunas horas libres para jugar con este tipo de modelo. Tal modelo podría explorar cómo evolucionan los individuos cuánticos en entornos específicos.

Tal experimento tiene el potencial de cambiar la forma en que los investigadores piensan sobre la vida y, de hecho, sobre la cuántica. Cada vez que surge la idea de la vida cuántica, pronto surge una pregunta simple. Así es como los experimentos de vida cuántica pueden arrojar luz sobre el origen de la vida misma.

El pensamiento sobre este tema está cambiando rápidamente. No hace mucho tiempo que los biólogos juraron a ciegas que los procesos cuánticos nunca podrían desempeñar un papel en los mecanismos de la vida o en su origen.

Hoy en día, no están tan seguros. Los procesos cuánticos parecen estar en el corazón de todo tipo de fenómenos biológicos, como la fotosíntesis, nuestro sentido del olfato e incluso la navegación de las aves.

Solo un investigador valiente argumentaría que no podrían haber jugado un papel en el origen de la vida. Y es un trabajo como este el que podría ayudar a explorar esta importante pregunta con más detalle que nunca.

Ref: arxiv.org/abs/1505.03775 : Vida artificial en tecnologías cuánticas

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