世界首個「量子人工生命」成功實現!用量子力學解釋生命起源

2020-12-06 新智元

新智元報導 來源：motherboard 編輯：大明

【新智元導讀】研究人員利用量子計算機成功模擬出世界首個「量子人工生命」，有助於人們從量子力學的角度理解生命的運行機制，實現用量子力學解釋生命的起源問題。未來的量子計算機能夠在沒有人工設計算法的情況下，實現自主模擬進化。

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量子力學可以解釋生命的起源嗎？如果可以，是否有量子算法來編碼生命本身？

近日，一個國際化的研究團隊有史以來第一次使用量子計算機創造出人工生命，即模擬生物體，科學家們可以用它來了解整個人群的生命機制，可以細微至細胞間的相互作用。

簡單來講，科學家們利用量子計算機，在微觀水平上將超導量子比特表示的個體生物體進行「交配」，也就是與其周圍環境進行相互作用，並令其「死亡」來模擬影響進化的一些主要因素。

新創建的量子算法能夠實現自我複製、變異、個體之間的交互以及（不可避免地）死亡相關的編碼行為，這證明量子計算機確實可以模擬現實世界中的一些生物模式。

這項新的突破性研究發表在周四的Scientific Report上，雖然只是一個早期的概念驗證原型，但它為進一步深入探討量子力學與生命起源之間的關係打開了大門，最終可能有助於回答生命的起源是否可以用量子力學來解釋的問題。

五量子比特量子處理器，模擬個體間自我複製、變異、個體之間的交互

量子人工生命模型可以用來研究科學中最令人困惑的問題之一：生命是如何從惰性物質中產生的，這些惰性物質如，曾經存在於地球上的有機分子中的「原生湯（primordial soup）」。

1944年，量子物理學家埃爾文·薛丁格首先提出，這個問題的答案可能存在於量子領域中。但是，由於當時人們無法打造出用於模擬這個問題的強大的量子計算機，因此進展比較緩慢。

後來，在計算機內部創建人工生命已經成為許多實驗的主題，但是當前的軟體通常採用經典的牛頓方法——一步一步地進行邏輯推進來生成這些模型。

如果加入量子的元素，模擬不再局限於1和0，而是可以引入我們在日常生活中看到的一些隨機性，這有望開闢一個探索的全新領域，就像在一個全新的物理層面上玩模擬人生一樣。

Scientific Report報導了由物理學家Enrique Solano和巴斯克科學基金會領導的研究團隊最新成果。

Enrique Solano

與今天常用的「經典」計算機不同（只處理二進位位信息，其值可以是1或0），量子計算機使用的是量子比特，其信息值可以是1和0的組合。這種名為疊加性的特性，意味著大規模量子計算機將具有比傳統計算機更強大的信息處理能力。

研究團隊的目標是創建一個計算機模型，複製量子計算機上的達爾文進化過程。為此，研究人員使用IBM開發的五量子比特量子處理器，可通過雲訪問。

這種量子算法模擬了主要的生物過程，如自我複製、突變、個體間的相互作用，以及量子比特級的「死亡」。最終結果精確模擬了在微觀層面上發揮作用的進化過程。

Solano 表示：「生命是一種複雜的宏觀特徵，是從無生命的物質中出現的，而量子信息是量子比特的特徵–在非常小的宇宙中的微觀孤立的物體。我們的研究將這些令人驚訝的複雜事件稱為'生命'，從而進入了原子和微觀世界......而且真的見效了。」

在模型中，研究人員使用兩個量子比特表示個體。其中一個量子比特代表個體的基因型，即某特徵背後的遺傳密碼，另一個量子比特代表其表型，即該特徵的物理表達。

為了模擬自我複製過程，該算法通過糾纏將基因型的期望值（所有可能測量的概率的平均值）複製到新的量子比特上，這是一個量子比特連結的過程，目的是讓它們之間即時交換信息。為了解釋突變，研究人員將隨機量子比特旋轉編碼到應用於基因型量子比特的算法中。

然後，算法會模擬個體與其環境之間的相互作用，比如老化並最終死亡。這一過程通過從上一步驟中的自我複製動作中獲取新基因型，並通過量子糾纏，將其轉移到另一個量子比特來完成。新的量子比特代表了個體的表型。而個體的生命周期——即信息通過與環境的相互作用發生降解或消散所需的時間，則取決於該表型中編碼的信息。

最後，這些個體會互相交流。這需要四個量子比特（兩種基因型和兩種表型）來完成，但如果它們滿足在其基因型量子比特中編碼的某些標準，則表型僅交互並交換信息。

這種交互會產生一個新的個體，重新開始上述的過程。研究人員將這一過程一共重複進行了超過24000次。

完整的量子人工生命協議的量子電路圖

現在，科學家們已經演示了量子人工生命算法，下一步是對算法進行縮放，以適用於更多個體並擴展這些個體的特徵。Solano表示，他和他的同事們正致力於為量子比特添加「性別特徵」，以進一步探索量子級別上的社交和兩性間交互。

「對物種的生存和繁殖來說，我們可能會發現兩種以上的性別更好，也可能無性更好。」Solano說。

除此之外，Solano和同事們希望在他們的量子人工生命模擬中擴大個體之間發生的相互作用的數量。然而，這最終要取決於量子計算硬體本身的可擴展能力。

雖然實現所謂的「量子至上」所需的計算技術尚未完全實現，但Solano及其同事的研究最終可能會導致量子計算機能夠在沒有人工預先設計算法的情況下實現自主模擬進化。

參考連結：

https://motherboard.vice.com/en_us/article/mbdxav/researchers-created-quantum-artificial-life-for-the-first-time

https://www.nature.com/articles/s41598-018-33125-3#Abs1

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