Unai Alvarez-Rodríguez. Foto: UPV/EHU.
Investigadores vascos han creado por primera vez una forma de vida artificial cuántica en laboratorio: han reproducido las características distintivas de la vida y de la evolución darwinianas en sistemas cuánticos microscópicos, según informan en un artículo publicado en Scientific Reports.
Se trata de la primera realización experimental de un algoritmo cuántico de vida artificial en una computadora cuántica. El algoritmo sigue un protocolo llamado por los investigadores biomimético, que codifica comportamientos cuánticos adaptados a los mismos comportamientos de los sistemas vivos. La biomimética cuántica consiste en reproducir en sistemas cuánticos algunas propiedades exclusivas de los seres vivos.
Valiéndose del ordenador de IBM Cloud Quantum, han codificado “unidades de vida cuántica” compuestas de dos cúbits : uno para representar el genotipo (la información genética o código que se transmite de una generación a otra) y el otro para el fenotipo (realización visible del genotipo en un determinado ambiente). Cada una de estas unidades de vida cuántica se desarrolló como lo haría cualquier ser vivo.
Las características fundamentales de la evolución capturadas en el sistema incluyen la interacción entre individuos, la autorreplicación (proceso por el cual una cosa puede hacer una copia de sí misma), la adaptación generacional y las mutaciones hereditarias transmitidas a través de la transferencia de información mediante el entrelazamiento cuántico.
Metodología
En un entrevista publicada el año pasado por la Universidad del País Vasco, el autor principal de este trabajo, Unai Alvarez-Rodriguez, explicó la metodología seguida en esta investigación: en primer lugar, recrearon un entorno de selección natural, donde había individuos, replicación, mutación, interacción con otros individuos y el entorno, y un estado equivalente a la muerte.
La selección natural la replicaron introduciendo en los individuos un tiempo de vida finito: "el modelo de selección natural lo planteamos como una disputa entre diferentes estrategias donde cada individuo sería una estrategia para resolver el problema, y la solución sería la estrategia capaz de dominar el espacio disponible".
Para simular la memoria, se valieron de un sistema regido por unas ecuaciones. Para los procesos de aprendizaje, "fuimos capaces de codificar una función en un sistema cuántico, pero sin escribirla directamente; el sistema lo realizó de forma autónoma, digamos que "aprendió", mediante el mecanismo que diseñamos para que eso ocurriera. Ese es uno de los avances más novedosos de esta investigación", destaca el investigador.
Las mutaciones se consiguieron mediante modificaciones aleatorias introducidas a través de rotaciones del estado cuántico. El mecanismo de autorreplicación se consiguió mediante eventos de clonación a través del entrelazamiento cuántico y la interacción entre individuos “mortales”, conjugando la interacción de cuatro cúbits (genotipos y fenotipos) que permiten replicar un escenario cuántico darwiniano mínimo, pero consistente.
Este resultado confirma que la vida artificial puede recrearse en laboratorio y más concretamente en un ordenador cuántico, si bien con algunas limitaciones: el ordenador cuántico utilizado en esta investigación calcula sólo parcialmente como un ordenador cuántico completo, ya que los ordenadores cuánticos completos todavía no están operativos.
Por este motivo, los autores explican en su artículo que, aunque su investigación deja en el aire la cuestión de saber si el origen de la vida está o no vinculado a la mecánica cuántica, reseñan que “lo que podemos afirmar a cambio es que los sistemas cuánticos microscópicos pueden codificar perfectamente las características cuánticas y los comportamientos biológicos, asociados generalmente a los sistemas vivos y a la selección natural”.
Se trata de la primera realización experimental de un algoritmo cuántico de vida artificial en una computadora cuántica. El algoritmo sigue un protocolo llamado por los investigadores biomimético, que codifica comportamientos cuánticos adaptados a los mismos comportamientos de los sistemas vivos. La biomimética cuántica consiste en reproducir en sistemas cuánticos algunas propiedades exclusivas de los seres vivos.
Valiéndose del ordenador de IBM Cloud Quantum, han codificado “unidades de vida cuántica” compuestas de dos cúbits : uno para representar el genotipo (la información genética o código que se transmite de una generación a otra) y el otro para el fenotipo (realización visible del genotipo en un determinado ambiente). Cada una de estas unidades de vida cuántica se desarrolló como lo haría cualquier ser vivo.
Las características fundamentales de la evolución capturadas en el sistema incluyen la interacción entre individuos, la autorreplicación (proceso por el cual una cosa puede hacer una copia de sí misma), la adaptación generacional y las mutaciones hereditarias transmitidas a través de la transferencia de información mediante el entrelazamiento cuántico.
Metodología
En un entrevista publicada el año pasado por la Universidad del País Vasco, el autor principal de este trabajo, Unai Alvarez-Rodriguez, explicó la metodología seguida en esta investigación: en primer lugar, recrearon un entorno de selección natural, donde había individuos, replicación, mutación, interacción con otros individuos y el entorno, y un estado equivalente a la muerte.
La selección natural la replicaron introduciendo en los individuos un tiempo de vida finito: "el modelo de selección natural lo planteamos como una disputa entre diferentes estrategias donde cada individuo sería una estrategia para resolver el problema, y la solución sería la estrategia capaz de dominar el espacio disponible".
Para simular la memoria, se valieron de un sistema regido por unas ecuaciones. Para los procesos de aprendizaje, "fuimos capaces de codificar una función en un sistema cuántico, pero sin escribirla directamente; el sistema lo realizó de forma autónoma, digamos que "aprendió", mediante el mecanismo que diseñamos para que eso ocurriera. Ese es uno de los avances más novedosos de esta investigación", destaca el investigador.
Las mutaciones se consiguieron mediante modificaciones aleatorias introducidas a través de rotaciones del estado cuántico. El mecanismo de autorreplicación se consiguió mediante eventos de clonación a través del entrelazamiento cuántico y la interacción entre individuos “mortales”, conjugando la interacción de cuatro cúbits (genotipos y fenotipos) que permiten replicar un escenario cuántico darwiniano mínimo, pero consistente.
Este resultado confirma que la vida artificial puede recrearse en laboratorio y más concretamente en un ordenador cuántico, si bien con algunas limitaciones: el ordenador cuántico utilizado en esta investigación calcula sólo parcialmente como un ordenador cuántico completo, ya que los ordenadores cuánticos completos todavía no están operativos.
Por este motivo, los autores explican en su artículo que, aunque su investigación deja en el aire la cuestión de saber si el origen de la vida está o no vinculado a la mecánica cuántica, reseñan que “lo que podemos afirmar a cambio es que los sistemas cuánticos microscópicos pueden codificar perfectamente las características cuánticas y los comportamientos biológicos, asociados generalmente a los sistemas vivos y a la selección natural”.
Aplicaciones
Todos los métodos y protocolos desarrollados en esta investigación han proporcionado vías para resolver sistemas de muy diversa índole. En la parte de la memoria, por ejemplo, Alvarez-Rodriguez destaca que el método sirve para resolver sistemas muy complejos: "Se podría utilizar para estudiar sistemas cuánticos en condiciones ambientales diferentes, o a diferentes escalas, de forma más accesible y económica".
En la parte de la selección natural, "sobre todo hemos aportado un mecanismo cuántico en el que podrían estar basados sistemas autorreplicantes, que luego se podrían utilizar para automatizar procesos a escala cuántica", subraya. Y por último, en la parte del aprendizaje, "hemos conseguido la forma de enseñar a una máquina una función sin tener que introducir el resultado final previamente. Esto es algo que va a ser muy útil en los próximos años", reseña.
Las simulaciones están diseñadas para poder realizarlas en experimentos, en diferentes tipos de plataformas cuánticas, como pueden ser iones atrapados, circuitos superconductores, y guías fotónicas entre otras, concluye Alvarez Rodríguez.
Todos los métodos y protocolos desarrollados en esta investigación han proporcionado vías para resolver sistemas de muy diversa índole. En la parte de la memoria, por ejemplo, Alvarez-Rodriguez destaca que el método sirve para resolver sistemas muy complejos: "Se podría utilizar para estudiar sistemas cuánticos en condiciones ambientales diferentes, o a diferentes escalas, de forma más accesible y económica".
En la parte de la selección natural, "sobre todo hemos aportado un mecanismo cuántico en el que podrían estar basados sistemas autorreplicantes, que luego se podrían utilizar para automatizar procesos a escala cuántica", subraya. Y por último, en la parte del aprendizaje, "hemos conseguido la forma de enseñar a una máquina una función sin tener que introducir el resultado final previamente. Esto es algo que va a ser muy útil en los próximos años", reseña.
Las simulaciones están diseñadas para poder realizarlas en experimentos, en diferentes tipos de plataformas cuánticas, como pueden ser iones atrapados, circuitos superconductores, y guías fotónicas entre otras, concluye Alvarez Rodríguez.
Referencia
Quantum Artificial Life in an IBM Quantum Computer. U. Alvarez-Rodriguez, M. Sanz, L. Lamata & E. Solano. Scientific Reports, volume 8, Article number: 14793 (2018). DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-018-33125-3
Quantum Artificial Life in an IBM Quantum Computer. U. Alvarez-Rodriguez, M. Sanz, L. Lamata & E. Solano. Scientific Reports, volume 8, Article number: 14793 (2018). DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-018-33125-3