Группа исследователей, которая была собрана из специалистов нескольких стран недавно применила новые возможности квантового компьютера для моделирования искусственной жизни. Данная технология позволяет ученым анализировать биологические процессы на различных уровнях: от динамики популяций до межклеточных взаимодействий. В ходе эксперимента отдельные организмы, представленные на микроскопическом уровне посредством сверхпроводящих кубитов, имитировали такие критически важные для эволюции процессы, как размножение, взаимодействие с окружающей средой и гибель. Результаты исследования, опубликованные в журнале Scientific Reports, представляют собой значительный научный прорыв, который может способствовать выяснению возможности объяснения происхождения жизни через призму квантовой механики — физической теории, описывающей устройство Вселенной на уровне взаимодействия субатомных частиц.

Моделирование квантовой искусственной жизни – это новый подход к одному из наиболее беспокоящих учёных вопросов: как жизнь появляется из инертной материи, из “первичного бульона” различных органических молекул, когда-то существовавшего на Земле?

Впервые идею о том, что ответ может находиться в квантовой области, предложил в 1944 году Эрвин Шрёдингер в своей влиятельной книге «Что есть жизнь?». Но прогресс в этой области тормозился из-за сложностей с созданием мощных квантовых компьютеров, требовавшихся для проведения симуляций, способных ответить на этот вопрос.

Обычные, «классические» компьютеры, один из которых вы используете для чтения этой статьи, обрабатывают информацию в виде двоичных битов – единиц информации, значение которых может принимать величину 0 или 1. В отличие от них, квантовые компьютеры используют кубиты, значение которых может представлять собой комбинацию 0 и 1. Такое их свойство, суперпозиция, означает, что мощность крупномасштабных квантовых компьютеров будет серьёзно превосходить мощность классических.

Целью команды исследователей из Баскского научного фонда, работавших под руководством Энрике Солано, было создание компьютерной модели, воспроизводящей процессы Дарвиновской эволюции на квантовом компьютере. Для этого исследователи использовали квантовый процессор на пять кубитов, разработанный в IBM, доступ к которому возможен по облачной технологии.

Этот квантовый алгоритм симулировал основные биологические процессы, такие, как самовоспроизведение, мутации, взаимодействие между индивидами и смерть, на уровне кубитов. В итоге получилась точная симуляция эволюционного процесса, происходящего на микроскопическом уровне.

«Жизнь – это сложная макроскопическая особенность, возникающая из неживой материи, а квантовая информация – это особенность кубитов, микроскопических изолированных объектов, происходящая во вселенной очень малого, — рассказал мне Солано по почте. – Наше исследование перенесло эти удивительные и сложные события, называемые жизнью, в микроскопический мир атомов – и это сработало».

Индивиды были представлены в модели при помощи двух кубитов. Один кубит представлял собой отдельный генотип, генетический код, стоявший за определённой особенностью, а другой – фенотип, физическое выражение этой особенности.

Для моделирования самовоспроизведения алгоритм копировал математическое ожидание (среднее значение вероятности результатов всех возможных измерений) генотипа в новый кубит при помощи запутывания, процесса, связывающего вместе кубиты так, что они мгновенно обмениваются информацией. Для учёта мутаций исследователи внесли в код алгоритма случайные повороты кубитов, и применяли его для кубитов генотипа.

Затем алгоритм смоделировал взаимодействие между индивидуумами и их окружением, представлявшее старение и смерть. Это было сделано при помощи передачи нового генотипа с шага самовоспроизведения в другой кубит при помощи запутывания. Новый кубит представлял фенотип индивида. Время жизни индивида – сколько времени требуется информации на то, чтобы деградировать или рассеяться в процессе взаимодействия с окружающей средой – зависит от информации, закодированной в генотипе.

Наконец, эти индивиды взаимодействовали друг с другом. Это требовало четырёх кубитов (двух генотипов и двух фенотипов), но фенотипы взаимодействовали и обменивались информацией, только если они удовлетворяли определённым критериям, закодированным в их генотипных кубитах.

Взаимодействие производило нового индивида, и процесс повторялся вновь. В сумме исследователи повторили этот процесс более 24 000 раз.

«Наши квантовые индивиды действовали под влиянием попыток адаптации в рамках Дарвиновской квантовой эволюции, что, по сути, передавало квантовую информацию через поколения более крупных мультикубитных запутанных состояний», — писали исследователи.

Теперь, когда работа алгоритма квантовой искусственной жизни была продемонстрирована, следующим шагом будет масштабировать его для работы с большим количеством индивидов и расширить их способности. К примеру, Солано рассказал мне, что они с коллегами работают над возможностью добавить кубитам «половые особенности», чтобы глубже изучить социальные и половые взаимодействия на квантовом уровне.

«Мы можем обнаружить, что лучше – два пола, или, возможно, ни одного, для блага вида, его выживания и развития», — сказал Солано.

Кроме этого Солано сообщил, что они с коллегами хотят увеличить количество взаимодействий, происходящих между индивидами в симуляции. Но это зависит от возможностей самого компьютерного оборудования.

Хотя в последние коды квантовые вычисления очень сильно продвинулись, у них впереди ещё очень долгий путь – в основном из-за капризной природы кубитов. Они невероятно чувствительны к шуму; их можно реализовать только в рамках сложных и дорогих систем, способных экранировать их от внешних воздействий, а это обычно означает наличие множества лазеров, экзотических материалов и крайне низких температур.

Но и после всех этих ухищрений заставить несколько десятков кубитов работать сообща оказывается сложной задачей. В этом году компания Google уже установила рекорд с процессором из 72 кубитов, но это ещё очень далеко от истинного квантового превосходства, теоретической точки, в которой квантовые компьютеры смогут опередить наиболее мощные из классических компьютеров Земли.

И хотя компьютерные технологии, необходимые для достижения квантового превосходства, ещё не появились, работа Solano и его коллег в принципе может привести к появлению квантовых компьютеров, способных автономно моделировать эволюцию без того, чтобы сначала задавать им написанный людьми алгоритм.

Для любознательных: квантовый рассвет биологии: как кубиты моделируют жизнь и где в этой гонке находится Россия

Мир стоит на пороге революции, в которой физика микромира объединяется с тайнами живой природы. Проектирование новых лекарств, понимание механизмов старения и симуляция сложнейших биохимических процессов десятилетиями упирались в «вычислительный тупик». Обычные суперкомпьютеры, какими бы мощными они ни были, пасуют перед квантовой природой молекул. Однако недавние прорывы в сфере квантовых вычислений открыли ученым дверь в совершенно новую эру — эру квантовой биологии.

Почему классические компьютеры не справляются с жизнью?

Живой организм — это невероятно сложная химическая система. Чтобы понять, как работает один-единственный белок или как лекарство взаимодействует с рецептором клетки, нужно рассчитать поведение миллионов электронов и атомных ядер.

В классическом компьютере базовой единицей информации является бит (0 или 1). Чтобы смоделировать молекулу среднего размера, классическому суперкомпьютеру потребовалось бы больше битов, чем атомов в известной нам Вселенной. Квантовый компьютер использует кубиты (квантовые биты), которые благодаря эффектам суперпозиции и запутанности могут находиться в нескольких состояниях одновременно. Квантовые системы не просто «вычисляют» химию — они сами работают по тем же законам, что и моделируемые молекулы.

Мировой прорыв: первые «живые» симуляции

В последние годы ведущие научные центры и технологические гиганты (IBM, Google, Honeywell) перешли от теории к практике. Впервые в истории квантовые процессоры были успешно применены для точного моделирования биологических структур и процессов.

Среди ключевых вех мировых исследований:

• Моделирование фотосинтеза: Ученым удалось воссоздать на квантовом симуляторе механизм переноса энергии в светособирающих комплексах бактерий и растений. Оказалось, что природа сама использует квантовые эффекты для достижения почти 100-процентной эффективности транспортировки энергии.
• Свертывание белков и дизайн лекарств: С помощью гибридных квантово-классических алгоритмов (таких как VQE) исследователи смогли рассчитать энергетические уровни сложных молекул и предсказать, как именно новые соединения будут связываться с белками-мишенями вирусов. Это сокращает время разработки лекарств с традиционных 10–12 лет до считанных месяцев.
• Эволюционные алгоритмы: Эксперименты по созданию «квантовой искусственной жизни» (Quantum Artificial Life) показали, что квантовые алгоритмы способны воспроизводить процессы естественного отбора и мутаций на микроуровне гораздо быстрее классических аналогов.

А что в России? Отечественный квантовый трек

Россия активно включена в глобальную квантовую гонку и развивает собственную экосистему вычислений в рамках Дорожной карты, которую курирует Госкорпорация «Росатом». Координацией научных исследований занимается Национальный квантовый центр (НЦК), а ключевые эксперименты проходят на базе Российского квантового центра (РКЦ), МФТИ, МГУ и институтов РАН.

Российские ученые двигаются сразу по нескольким направлениям:

1. Создание собственной платформы: В России успешно развиваются несколько типов квантовых процессоров — на сверхпроводниках, нейтральных атомах и ионах. Ионные и атомные кубиты сегодня демонстрируют высокую точность, необходимую именно для симуляции физико-химических процессов.
2. Квантовая химия и фармацевтика: Команда Российского квантового центра активно разрабатывает алгоритмы для моделирования молекулярных соединений. Например, отечественные исследователи создали софт, способный рассчитывать свойства перспективных фармакологических препаратов. Специфика российской школы — создание гибридных алгоритмов, которые позволяют решать биологические задачи на уже существующих (пока еще «шумных») квантовых процессорах текущего поколения (эпоха NISQ).
3. Облачный доступ: Разработанные в РФ квантовые симуляторы и процессоры постепенно открывают для внешних академических институтов. Это позволяет биологам и химикам тестировать свои гипотезы на реальном квантовом «железе».

Что нас ждет дальше?

Мы все еще находимся на этапе «демонстрации технологий». Современные квантовые компьютеры моделируют пока относительно небольшие фрагменты биомолекул. Однако скорость развития технологий экспоненциальна.

В ближайшее десятилетие, по мере масштабирования систем и внедрения коррекции ошибок, квантовая симуляция живых организмов позволит:

• Создавать персонализированные лекарства под генетический код конкретного человека без долгого этапа испытаний на животных.
• Проектировать искусственные ферменты для утилизации пластика и очистки планеты.
• Раскрыть точные механизмы работы человеческого мозга и нейронных сетей.

Союз квантовой физики и биологии доказывает: чтобы понять жизнь во всем ее многообразии, человечеству пришлось освоить законы самой глубокой микрореальности. И Россия в этом поиске занимает одну из ведущих позиций.

Автор: Вячеслав Голованов
Источник: https://habr.com/