Группа ученых из Испании и Китая смоделировала процесс эволюции двух примитивных существ на квантовом компьютере. Для этого исследователи использовали облачный квантовый компьютер IBM ibmqx4 и показали, что в такой системе действительно выполнятся законы эволюции. Препринт статьи выложен на сайте arXiv.org.

Вопрос происхождения и эволюции жизни является одним из самых сложных и спорных вопросов для науки. Исследовать этот вопрос можно по-разному, например, разрабатывая математическую модель эволюции или обсчитывая гипотетические процессы на компьютере. До последнего времени ученые могли использовать для расчетов только обычные компьютеры, однако сейчас уже появились образцы коммерческих квантовых вычислителей, которые могут помочь исследователям лучше смоделировать процесс эволюции.

В данной статье группа ученых под руководством Унай Альвареза-Родригеза (Unai Alvarez-Rodriguez) смоделировала эволюцию простой системы на коммерческом квантовом компьютере IBM ibmqx4, который оперирует пятью кубитами и позволяет любому желающему получить к ним доступ из облака. Этот компьютер был запущен IBM весной 2016 года, к концу этого года IBM обещает запустить новую версию этого облачного компьютера, оперирующего уже двадцатью кубитами.

Система, смоделированная учеными, включала в себя двух примитивных «живых существ». Каждое из этих существ состояло из двух кубитов, в которых были закодированы их «генотип» и «фенотип». В генотипе содержалась информация, которая описывала тип живой клетки и передавалась из поколения в поколение (своеобразный, сильно упрощенный аналог ДНК). Состояние фенотипа не передавалось в следующее поколение, однако в течение «жизни» существа оно менялось из-за взаимодействия с окружающей средой и со вторым существом и определяло длительность его жизни.

Как и обычные существа, модельные проживали те же этапы жизни, только реализованные с помощью квантовых эффектов. Так, важнейшим для жизни процессом является самокопирование, которое позволяет живым существам размножаться и передавать генетическую информацию в следующие поколения. Этот процесс ученые реализовали, запутывая кубит, описывающий генотип, и чистый кубит, и передавая информацию от первого ко второму.

В свою очередь, взаимодействие с внешней средой определялось фенотипом существа. В ходе этого взаимодействия состояние фенотипа постепенно разрушалось, моделируя старение. Окончательная смерть наступала, когда кубит достигал определенного асимптотического состояния. Чтобы смоделировать естественный отбор, в каждом поколении ученые отбирали и преимущественно копировали генотипы тех существ, которые прожили дольше.

Процесс мутации, то есть обмена фенотипом (сверху) и самокопирования (снизу) в предложенной системе из четырех кубитов. U. Alvarez-Rodriguez et. al.

Также исследователи смоделировали случайные мутации при копировании. Для этого они время от времени перемешивали фенотипы двух существ, оставляя их генотипы неизменными. Конечно, это все еще не похоже на половое размножение, в ходе которого генетическая информация разных особей перемешивается, однако неплохо моделирует обычные клетки, которые размножаются простым делением.

Указанные процессы ученые повторили много раз. Например, в экспериментах без перемешивания фенотипов успевало смениться 8192 поколений. При моделировании процессов с различными типами мутации ученые повторяли расчеты 1024 раза, считая частоту мутаций равной 2/27.

В результате оказалось, что мутации действительно помогают существам выживать — в этом случае их средняя продолжительность становилась немного больше, чем в эволюции без перемешивания фенотипов. В целом, полученные экспериментальные данные довольно хорошо совпали с теоретическими и рассчитанными ранее на классическом компьютере распределениями (с «чистотой» около 93 процентов). Впрочем, ученые отмечают, что малое число кубитов накладывает жесткие ограничения на процесс эволюции. Поэтому они собираются повторить эксперименты на более новых версиях облачного компьютера IBM.

В конце ноября сразу две группы ученых сообщили о создании квантовых компьютеров, оперирующих 51 и 53 кубитами. Обе группы не только смогли поддерживать в когерентном полностью управляемом состоянии такое большое число кубитов, но и смоделировали некоторые явления, которые на классическом компьютере обсчитать нельзя. Подробнее прочитать о квантовых компьютерах и квантовом превосходстве можно в нашем материале.

Автор: Дмитрий Трунин