量子力學(xué)可以解釋生命的起源嗎？

研究人員利用量子計(jì)算機(jī)成功模擬出世界首個(gè)“量子人工生命”，有助于人們從量子力學(xué)的角度理解生命的運(yùn)行機(jī)制，實(shí)現(xiàn)用量子力學(xué)解釋生命的起源問(wèn)題。未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)能夠在沒(méi)有人工設(shè)計(jì)算法的情況下，實(shí)現(xiàn)自主模擬進(jìn)化。

量子力學(xué)可以解釋生命的起源嗎？如果可以，是否有量子算法來(lái)編碼生命本身？

近日，一個(gè)國(guó)際化的研究團(tuán)隊(duì)有史以來(lái)第一次使用量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造出人工生命，即模擬生物體，科學(xué)家們可以用它來(lái)了解整個(gè)人群的生命機(jī)制，可以細(xì)微至細(xì)胞間的相互作用。

簡(jiǎn)單來(lái)講，科學(xué)家們利用量子計(jì)算機(jī)，在微觀(guān)水平上將超導(dǎo)量子比特表示的個(gè)體生物體進(jìn)行“交配”，也就是與其周?chē)h(huán)境進(jìn)行相互作用，并令其“死亡”來(lái)模擬影響進(jìn)化的一些主要因素。

新創(chuàng)建的量子算法能夠?qū)崿F(xiàn)自我復(fù)制、變異、個(gè)體之間的交互以及（不可避免地）死亡相關(guān)的編碼行為，這證明量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可以模擬現(xiàn)實(shí)世界中的一些生物模式。

這項(xiàng)新的突破性研究發(fā)表在周四的Scientific Report上，雖然只是一個(gè)早期的概念驗(yàn)證原型，但它為進(jìn)一步深入探討量子力學(xué)與生命起源之間的關(guān)系打開(kāi)了大門(mén)，最終可能有助于回答生命的起源是否可以用量子力學(xué)來(lái)解釋的問(wèn)題。

五量子比特量子處理器，模擬個(gè)體間自我復(fù)制、變異、個(gè)體之間的交互

量子人工生命模型可以用來(lái)研究科學(xué)中最令人困惑的問(wèn)題之一：生命是如何從惰性物質(zhì)中產(chǎn)生的，這些惰性物質(zhì)如，曾經(jīng)存在于地球上的有機(jī)分子中的“原生湯（primordial soup）”。

1944年，量子物理學(xué)家埃爾文·薛定諤首先提出，這個(gè)問(wèn)題的答案可能存在于量子領(lǐng)域中。但是，由于當(dāng)時(shí)人們無(wú)法打造出用于模擬這個(gè)問(wèn)題的強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，因此進(jìn)展比較緩慢。

后來(lái)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部創(chuàng)建人工生命已經(jīng)成為許多實(shí)驗(yàn)的主題，但是當(dāng)前的軟件通常采用經(jīng)典的牛頓方法——一步一步地進(jìn)行邏輯推進(jìn)來(lái)生成這些模型。

如果加入量子的元素，模擬不再局限于1和0，而是可以引入我們?cè)谌粘Ｉ钪锌吹降囊恍╇S機(jī)性，這有望開(kāi)辟一個(gè)探索的全新領(lǐng)域，就像在一個(gè)全新的物理層面上玩模擬人生一樣。

Scientific Report報(bào)道了由物理學(xué)家Enrique Solano和巴斯克科學(xué)基金會(huì)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)最新成果。

Enrique Solano

與今天常用的“經(jīng)典”計(jì)算機(jī)不同（只處理二進(jìn)制位信息，其值可以是1或0），量子計(jì)算機(jī)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(guī)模量子計(jì)算機(jī)將具有比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更強(qiáng)大的信息處理能力。

研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，復(fù)制量子計(jì)算機(jī)上的達(dá)爾文進(jìn)化過(guò)程。為此，研究人員使用IBM開(kāi)發(fā)的五量子比特量子處理器，可通過(guò)云訪(fǎng)問(wèn)。

這種量子算法模擬了主要的生物過(guò)程，如自我復(fù)制、突變、個(gè)體間的相互作用，以及量子比特級(jí)的“死亡”。最終結(jié)果精確模擬了在微觀(guān)層面上發(fā)揮作用的進(jìn)化過(guò)程。

Solano 表示：“生命是一種復(fù)雜的宏觀(guān)特征，是從無(wú)生命的物質(zhì)中出現(xiàn)的，而量子信息是量子比特的特征–在非常小的宇宙中的微觀(guān)孤立的物體。我們的研究將這些令人驚訝的復(fù)雜事件稱(chēng)為'生命'，從而進(jìn)入了原子和微觀(guān)世界......而且真的見(jiàn)效了?！?/p>

在模型中，研究人員使用兩個(gè)量子比特表示個(gè)體。其中一個(gè)量子比特代表個(gè)體的基因型，即某特征背后的遺傳密碼，另一個(gè)量子比特代表其表型，即該特征的物理表達(dá)。

為了模擬自我復(fù)制過(guò)程，該算法通過(guò)糾纏將基因型的期望值（所有可能測(cè)量的概率的平均值）復(fù)制到新的量子比特上，這是一個(gè)量子比特鏈接的過(guò)程，目的是讓它們之間即時(shí)交換信息。為了解釋突變，研究人員將隨機(jī)量子比特旋轉(zhuǎn)編碼到應(yīng)用于基因型量子比特的算法中。

然后，算法會(huì)模擬個(gè)體與其環(huán)境之間的相互作用，比如老化并最終死亡。這一過(guò)程通過(guò)從上一步驟中的自我復(fù)制動(dòng)作中獲取新基因型，并通過(guò)量子糾纏，將其轉(zhuǎn)移到另一個(gè)量子比特來(lái)完成。新的量子比特代表了個(gè)體的表型。而個(gè)體的生命周期——即信息通過(guò)與環(huán)境的相互作用發(fā)生降解或消散所需的時(shí)間，則取決于該表型中編碼的信息。

最后，這些個(gè)體會(huì)互相交流。這需要四個(gè)量子比特（兩種基因型和兩種表型）來(lái)完成，但如果它們滿(mǎn)足在其基因型量子比特中編碼的某些標(biāo)準(zhǔn)，則表型僅交互并交換信息。

這種交互會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的個(gè)體，重新開(kāi)始上述的過(guò)程。研究人員將這一過(guò)程一共重復(fù)進(jìn)行了超過(guò)24000次。

完整的量子人工生命協(xié)議的量子電路圖

現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)演示了量子人工生命算法，下一步是對(duì)算法進(jìn)行縮放，以適用于更多個(gè)體并擴(kuò)展這些個(gè)體的特征。Solano表示，他和他的同事們正致力于為量子比特添加“性別特征”，以進(jìn)一步探索量子級(jí)別上的社交和兩性間交互。

“對(duì)物種的生存和繁殖來(lái)說(shuō)，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)兩種以上的性別更好，也可能無(wú)性更好?！盨olano說(shuō)。

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(kuò)大個(gè)體之間發(fā)生的相互作用的數(shù)量。然而，這最終要取決于量子計(jì)算硬件本身的可擴(kuò)展能力。

雖然實(shí)現(xiàn)所謂的“量子至上”所需的計(jì)算技術(shù)尚未完全實(shí)現(xiàn)，但Solano及其同事的研究最終可能會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)能夠在沒(méi)有人工預(yù)先設(shè)計(jì)算法的情況下實(shí)現(xiàn)自主模擬進(jìn)化。