Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus Spanien und China simulierte die Evolution zweier primitiver Kreaturen auf einem Quantencomputer. Dazu nutzten die Forscher den Cloud-Quantencomputer IBM ibmqx4 und zeigten, dass in einem solchen System die Gesetze der Evolution tatsächlich erfüllt würden. Ein Vorabdruck des Artikels wird auf der Website arXiv.org veröffentlicht.
Die Frage nach der Entstehung und Entwicklung des Lebens ist für die Wissenschaft eines der schwierigsten und umstrittensten Themen. Diese Frage kann auf unterschiedliche Weise untersucht werden, beispielsweise durch die Entwicklung eines mathematischen Evolutionsmodells oder durch die Berechnung hypothetischer Prozesse am Computer. Bis vor kurzem konnten Wissenschaftler nur gewöhnliche Computer für Berechnungen verwenden, aber jetzt gibt es Muster von kommerziellen Quantencomputern, mit denen Forscher den Evolutionsprozess besser simulieren können.
In diesem Artikel modellierte ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Unai Alvarez-Rodriguez die Entwicklung eines einfachen Systems auf einem kommerziellen IBM-Quantencomputer ibmqx4, der mit fünf Qubits arbeitet und jedem den Zugriff aus der Cloud ermöglicht. Dieser Computer wurde von IBM im Frühjahr 2016 auf den Markt gebracht, und bis Ende dieses Jahres verspricht IBM eine neue Version dieses Cloud-Computers auf den Markt zu bringen, der bereits mit zwanzig Qubits arbeitet.
Das von Wissenschaftlern modellierte System umfasste zwei primitive "lebende Dinge". Jede dieser Kreaturen bestand aus zwei Qubits, in denen ihr „Genotyp“und „Phänotyp“kodiert waren. Der Genotyp enthielt Informationen, die den Typ der lebenden Zelle beschreiben, und wurde von Generation zu Generation weitergegeben (eine Art stark vereinfachtes Analogon der DNA). Der Zustand des Phänotyps wurde nicht an die nächste Generation weitergegeben, jedoch veränderte er sich während des „Lebens“der Kreatur durch die Interaktion mit der Umwelt und mit der zweiten Kreatur und bestimmte die Dauer ihres Lebens.
Wie gewöhnliche Kreaturen durchlebten die Modelltiere die gleichen Lebensstadien, die nur mit Hilfe von Quanteneffekten realisiert wurden. Der wichtigste Prozess für das Leben ist also die Selbstkopie, die es Lebewesen ermöglicht, sich zu reproduzieren und genetische Informationen an zukünftige Generationen zu übertragen. Wissenschaftler haben diesen Prozess implementiert, indem sie ein Qubit, das einen Genotyp beschreibt, und ein reines Qubit verschränken und dann Informationen vom ersten zum zweiten übertragen.
Die Interaktion mit der äußeren Umgebung wiederum wurde durch den Phänotyp der Kreatur bestimmt. Im Zuge dieser Interaktion wurde der Zustand des Phänotyps nach und nach zerstört und das Altern simuliert. Der endgültige Tod trat ein, wenn ein Qubit einen bestimmten asymptotischen Zustand erreichte. Um die natürliche Selektion zu simulieren, wählten und kopierten die Wissenschaftler in jeder Generation die Genotypen der länger lebenden Lebewesen.
Der Prozess der Mutation, d. h. Phänotypaustausch (oben) und Selbstkopie (unten) im vorgeschlagenen System von vier Qubits
Die Forscher simulierten auch zufällige Kopienmutationen. Dazu vermischten sie gelegentlich die Phänotypen der beiden Kreaturen und ließen ihre Genotypen unverändert. Natürlich ist dies immer noch keine sexuelle Fortpflanzung, bei der die genetische Information verschiedener Individuen gemischt wird, aber es funktioniert gut, gewöhnliche Zellen zu simulieren, die sich durch einfache Teilung vermehren.
Wissenschaftler wiederholten diese Prozesse viele Male. In Experimenten ohne Vermischung von Phänotypen hatten beispielsweise 8192 Generationen Zeit, sich zu ändern. Bei der Simulation von Prozessen mit verschiedenen Mutationstypen wiederholten die Wissenschaftler die Berechnungen 1024 Mal, wobei die Mutationshäufigkeit 2/27 betrug.
Als Ergebnis stellte sich heraus, dass Mutationen den Lebewesen wirklich beim Überleben helfen – in diesem Fall wurde ihre durchschnittliche Lebensdauer etwas länger als in der Evolution, ohne dass sich die Phänotypen vermischen. Insgesamt stimmten die erhaltenen experimentellen Daten recht gut mit den theoretischen und zuvor auf einem klassischen Computer berechneten Verteilungen (mit einer "Reinheit" von etwa 93 Prozent) überein. Wissenschaftler stellen jedoch fest, dass die geringe Anzahl von Qubits den Evolutionsprozess stark einschränkt. Daher werden sie die Experimente an neueren Versionen des IBM Cloud-Computers wiederholen.
Ende November kündigten zwei Wissenschaftlergruppen umgehend die Entwicklung von Quantencomputern an, die mit 51 und 53 Qubits arbeiten. Beide Gruppen waren nicht nur in der Lage, eine so große Anzahl von Qubits in einem kohärenten, vollständig kontrollierbaren Zustand zu halten, sondern simulierten auch einige Phänomene, die auf einem klassischen Computer nicht berechnet werden können. Lesen Sie mehr über Quantencomputer und Quantenüberlegenheit in unserem Material.
