Er is voor het eerst ‘kunstmatig leven’ geschapen met kwantumcomputers

Wetenschappers hebben voor het eerst een kwantumcomputer gebruikt om kunstmatig leven te creëren. Met deze simulatie van levende organismen kan het team met onderzoekers uit Spanje, het Verenigd Koninkrijk en China het ontstaan van leven beter leren begrijpen – zowel op het niveau van hele populaties, als bij interacties tussen individuele cellen.

Het team gebruikte kwantumcomputers om verschillende individuele ‘levende’ organismen te maken, die op microscopisch niveau werden weergegeven door supergeleidende kwantumbits. Vervolgens zorgden de onderzoekers ervoor dat deze kunstmatige organismen ‘zich voortplanten’, interactie aangingen met hun omgeving en uiteindelijk ‘dood gingen’, om zo een model te krijgen van de belangrijkste factoren die van invloed zijn op evolutie.

Dit nieuwe onderzoek, dat afgelopen donderdag werd gepubliceerd in Scientific Reports, is een gigantische doorbraak. Mogelijk helpt het om uiteindelijk een antwoord te vinden op de vraag of het ontstaan van leven kan worden verklaard door de kwantummechanica – een natuurkundige theorie die het universum verklaart aan de hand van de interacties tussen subatomaire deeltjes.

Het simuleren van kunstmatig kwantumleven is een nieuwe manier om antwoord te vinden op een van de frustrerendste vragen binnen de wetenschap, namelijk: hoe kan het dat er leven is ontstaan uit inert materiaal, zoals de ‘oersoep’ vol organische moleculen die ooit op aarde ontstond?

In 1944 stelde Erwin Schrödinger (je kent hem wel van zijn kat) in zijn boek What is Life? al dat het antwoord weleens in het kwantumrijk zou kunnen liggen. Helaas verliep dat onderzoek nogal traag, omdat er best wel moeilijk was om krachtige kwantumcomputers te maken die nodig zijn om de simulaties te runnen die deze vraag kunnen beantwoorden.

Normale computers (zoals die in de computer of telefoon die je nu gebruikt om dit artikel te lezen) verwerken informatie in binaire bits, ofwel eenheden van informatie waarvan de waarde een één of een nul kan zijn. Kwantumcomputers maken daarentegen gebruik van kwantumbits of qubits, waarvan de informatiewaarde naast een één of een nul ook een combinatie daarvan kan zijn. Dit wordt de ‘superpositie’ genoemd en dit zorgt ervoor dat grote kwantumcomputers veel meer informatie kunnen verwerken dan een ouderwetse binaire computer.

Het doel van het onderzoeksteam, onder leiding van natuurkundige Enrique Solano en de Basque Foundation for Science, was om een model te maken dat de processen van de darwinistische evolutie op een kwantumcomputer nabootst. Om dit te kunnen doen werkten de wetenschappers met een kwantumprocessor van IBM die gebruikt maakt van vijf qubits en via de cloud kan worden aangestuurd.

Het kwantumalgoritme simuleerde een aantal belangrijke biologische processen, zoals zelfreplicatie, mutatie, interactie tussen individuen en dood, allemaal op het niveau van qubits. Het eindresultaat is een vrij precieze simulatie van het evolutionaire proces op een microscopisch niveau.

“Het leven is een complex en macroscopisch iets dat voortkomt uit levenloze materie. Kwantuminformatie bestaat uit qubits – microscopisch geïsoleerde objecten die je vindt in het universum van de allerkleinste deeltjes,” vertelt Solano Motherboard in een mail. “Ons onderzoek heeft de ongelooflijk delicate gebeurtenis die we kennen als het leven naar de atomaire en microscopische wereld gebracht… en het werkte.”

Individuen worden in het model weergegeven met behulp van twee qubits. Eén qubit vertegenwoordigt het genotype van het individu, de genetische code achter een bepaald kenmerk en de andere qubit vertegenwoordigt het fenotype, de fysieke uiting van datzelfde kenmerk.

Om zelfreplicatie aan het model toe te voegen, kopieert het algoritme de verwachtingswaarde van het genotype (het gemiddelde van de kansen van alle mogelijke uitkomsten) naar een nieuwe qubit. Dit wordt gedaan door middel van verstrengeling, een proces dat qubits met elkaar verbindt zodat er direct informatie tussen de twee wordt uitgewisseld. Om het model ook van mutaties te voorzien, programmeerden de onderzoekers willekeurige qubitrotaties in het algoritme, die werden toegepast op de genotypequbits.

Vervolgens simuleerde het algoritme de interactie tussen het individu en zijn omgeving. Dit vertegenwoordigt het ouder worden van een organisme en uiteindelijk ook zijn dood. Ook dit wordt door middel van verstrengeling gedaan, door het nieuwe genotype dat is ontstaan na de zelfreplicatie over te brengen naar een andere qubit. De nieuwe qubit die hieruit voortkomt vertegenwoordigt het fenotype van het individu. De levensduur van het individu (dat wil zeggen: hoelang het duurt voordat de informatie wordt afgebroken of vergaat door interactie met de omgeving) is afhankelijk van de informatie die in dit fenotype is geprogrammeerd.

Tot slot communiceren de verschillende individuen in het model met elkaar. Hier zijn vier qubits voor nodig (twee genotypen en twee fenotypen), maar de fenotypen wisselen alleen informatie met elkaar uit als ze voldoen aan bepaalde criteria die in hun genotype-qubits geprogrammeerd zijn.

Deze interactie levert weer een nieuw individu op, waarna het proces weer van voren af aan begint. In totaal hebben de wetenschappers dit proces meer dan 24.000 keer herhaald.

“Onze kwantumindividuen worden gedreven door pogingen om zich aan te passen aan de hand van darwinistische kwantumevolutie, waarbij kwantum-informatie wordt doorgegeven door middel van vele generaties waarin grote hoeveelheden qubits met elkaar verstrengeld zijn,” schrijven de wetenschappers in hun onderzoek.

Het is het onderzoeksteam dus gelukt om een algoritme voor kunstmatig leven te maken. De volgende logische stap is om het model op grotere schaal uit te voeren. Zo kunnen er meer individuen ontstaan die ook meer verschillende functies toegewezen kunnen krijgen. Solano vertelt Motherboard bijvoorbeeld dat hij en zijn collega’s momenteel werken aan de mogelijkheid om ‘geslachtskenmerken’ toe te voegen aan de qubits, zodat sociale en seksuele interacties op kwantumniveau verder onderzocht kunnen worden.

“Wellicht komen we er zo achter of het bestaan van meer dan twee geslachten of juist helemaal geen verschillende geslachten beter is als het aankomt op het overleven en voortbestaan van soorten,” zegt Solano.

Solano geeft ook aan dat hij en zijn collega’s het aantal interacties tussen de individuen in hun simulatie willen vergroten. Of dit lukt hangt echter helemaal af van in hoeverre de kwantumhardware zelf op te schalen is.

Hoewel kwantumcomputers de afgelopen jaren behoorlijk wat vooruitgang hebben geboekt, is er nog een lange weg te gaan. Dat heeft vooral te maken met het kieskeurige karakter van qubits. Qubits zijn ongelooflijk gevoelig voor ruis; ze kunnen alleen gebruikt worden in dure, complexe systemen die ze beschermen tegen invloeden van buitenaf, wat meestal gepaard gaat met veel lasers, exotische materialen en enorm lage temperaturen.

En zelfs dan nog is het lastig om meer dan tientallen qubits met elkaar te laten samenwerken. Eerder dit jaar behaalde Google een record met hun 72-qubitprocessor. Toch staat dit nog altijd mijlenver af van zogeheten ‘quantum supremacy’ – het theoretische punt waarop kwantumcomputers de snelste klassieke supercomputers voorbijstreven.

Hoewel de computertechnologie die nodig is om deze quantum supremacy te bereiken nog niet bestaat, leidt het werk van Solano en zijn collega’s er mogelijk toe dat kwantumcomputers uiteindelijk in staat zullen zijn om de evolutie zelfstandig te simuleren, zonder dat er eerst een door mensen ontworpen algoritme aan te pas hoeft te komen.

Volg Motherboard op Facebook, Twitter en Flipboard.