Quantenkünstliches Leben, das in der Wolke entsteht.

Ein Projekt der UPV/EHU-Universität des Baskenlandes hat erstmals ein Modell des quantenkünstlichen Lebens auf einem Quantencomputer implementiert.

Die Forschungsgruppe Quantum Technologies for Information Science (QUTIS) unter der Leitung des Ikerbasque Professors Enrique Solano vom Department of Physical Chemistry der UPV/EHU hat ein quantenbiomimetisches Protokoll entwickelt, das den charakteristischen Prozess der darwinistischen Evolution reproduziert, der an die Sprache der Quantenalgorithmen und des Quantencomputings angepasst ist. Die Forscher erwarten eine Zukunft, in der maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz und künstliches Leben selbst auf Quantenebene kombiniert werden.

Ein Szenario der künstlichen Intelligenz könnte die Entstehung von Modellen einfacher Organismen sein, die in der Lage sind, die verschiedenen Lebensphasen in einer kontrollierten virtuellen Umgebung zu erleben. Quantencomputer könnten ein künstliches Lebensprotokoll ermöglichen, das Quantenverhalten zu lebenden Systemen kodiert, einschließlich Selbstreplikation, Mutation, Interaktion zwischen Individuen, Geburt und Tod. Ein solches Modell führten die Forscher auf einem IBM ibmqx4 Cloud Quantencomputer aus.

Dies ist die erste experimentelle Realisierung eines quantenkünstlichen Lebensalgorithmus auf einem Quantencomputer nach Darwins Evolutionsgesetzen. Der Algorithmus folgt einem Protokoll, das die Forscher als biomimetisch bezeichnen und das Quantenverhalten kodiert, das an das gleiche Verhalten lebender Systeme angepasst ist. Die Quanten-Biomimetik beinhaltet die Reproduktion bestimmter Eigenschaften, die ausschließlich für Lebewesen bestimmt sind, in Quantensystemen. Zuvor hatten es die Forscher geschafft, Leben, natürliche Selektion, Lernen und Gedächtnis mit Hilfe von Quantensystemen nachzuahmen. Diese Forschung zielt darauf ab, eine Reihe von Quantenalgorithmen zu entwerfen, die auf der Nachahmung biologischer Prozesse basieren, die in komplexen Organismen ablaufen, und diese auf eine Quantenskala zu übertragen.

Quantenkünstliches Leben mit vielversprechender Zukunft

In dem von ihnen entworfenen Szenario des künstlichen Lebens haben eine Reihe von Modellen einfacher Organismen die häufigsten Lebensphasen in einer kontrollierten virtuellen Umgebung erreicht und bewiesen, dass mikroskopische Quantensysteme in der Lage sind, Quanteneigenschaften und biologische Verhaltensweisen zu kodieren, die normalerweise mit lebenden Systemen und natürlicher Selektion verbunden sind.

Die Modelle wurden als Einheiten des Quantenlebens betrachtet, von denen jede aus zwei Qubits besteht, die als Genotyp bzw. Phänotyp fungieren, wobei der Genotyp die Informationen enthält, die die Art der Lebenseinheit beschreiben, und diese Informationen werden von Generation zu Generation übertragen. Im Gegensatz dazu wird der Phänotyp, die von Individuen dargestellten Eigenschaften, durch die genetische Information sowie durch die Interaktion der Individuen selbst mit der Umwelt bestimmt.

Um die Systeme als Organismen des künstlichen Lebens betrachten zu können, simulierten die Forscher Geburt und Evolution, Selbstreplikation und Interaktion zwischen Individuen und der Umwelt, die den Phänotyp des Individuums mit zunehmendem Alter allmählich abnimmt und in einem Zustand endet, der den Tod darstellt. Das Protokoll berücksichtigt auch die Interaktion zwischen Individuen sowie Mutationen, die in zufälligen Rotationen einzelner Qubits implementiert sind.

Dieser experimentelle Test stellt die Konsolidierung des theoretischen Rahmens des quantenkünstlichen Lebens in einem evolutionären Sinne dar, aber da das Modell auf komplexere Systeme skaliert wird, wird es nach Ansicht der Autoren möglich sein, genauere Quantenemulationen mit wachsender Komplexität in Richtung Quantenherrschaft zu implementieren.

Ebenso erwarten sie, dass diese Einheiten des künstlichen Lebens und ihre möglichen Anwendungen tiefgreifende Auswirkungen auf die Gemeinschaft der Quantensimulation und des Quantencomputings in einer Reihe von Quantenplattformen haben werden, sei es durch eingefangene Ionen, photonische Systeme, neutrale Atome oder Supraleiterschaltungen.

Enrique Solano, Direktor der QUTIS-Gruppe und Leiter dieses Projekts, sagt: „Die Grundlagen wurden geschaffen, um verschiedene Ebenen der klassischen und Quantenkomplexität anzugehen. Man könnte zum Beispiel das Wachstum von Populationen von Quantenindividuen mit Geschlechterkriterien betrachten, ihre Lebensziele sowohl als Individuen als auch als Gruppen, automatisiertes Verhalten ohne externe Kontrollen, Quantenroboterprozesse, intelligente Quantensysteme, bis zur Schwelle der Quantenhöchststellung, die nur von einem Quantencomputer erreicht werden konnte, überwunden werden kann. Was sich danach ergeben würde, wären schrecklich riskante Fragen, wie die Vermutung des mikroskopischen Ursprungs des Lebens selbst, die intelligente Entwicklung von Individuen und Gesellschaften oder die Auseinandersetzung mit dem Ursprung des Bewusstseins und der Kreativität von Tieren und Menschen. Das ist nur der Anfang; wir sind am Anfang des 21. Jahrhunderts und wir werden viele Fantasy-Träume und Fragen haben, auf die wir antworten können.“

Mehr Informationen:
U. Alvarez-Rodriguez et al. Quantenkünstliches Leben in einem IBM-Quantencomputer, wissenschaftliche Berichte (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-33125-3

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