Исследователи впервые создали симулятор жизни на квантовом компьютере

https://motherboard.vice.com/en_us/article/mbdxav/researchers-created-quantum-artificial-life-for-the-first-time
  • Перевод

«Наше исследование перенесло эти удивительные и сложные события, называемые жизнью, в микроскопический мир атомов – и это сработало»




Международная команда исследователей впервые использовала квантовый компьютер для создания искусственной жизни – симуляции живых организмов, которую учёные могут задействовать, чтобы разобраться в жизни на уровне популяций и ниже, вплоть до межклеточных взаимодействий.

На квантовом компьютере отдельные живые организмы, представленные на микроскопическом уровне при помощи сверхпроводящих кубитов, заставляли «спариваться», взаимодействовать с окружающей средой и «умирать», моделируя важнейшие из факторов, влияющих на эволюцию.

Новое исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, стало прорывом, который, возможно, в итоге поможет ответить на вопрос о том, можно ли объяснить происхождение жизни квантовой механикой – физической теорией, описывающей Вселенную в терминах взаимодействий между субатомными частицами.

Моделирование квантовой искусственной жизни – это новый подход к одному из наиболее беспокоящих учёных вопросов: как жизнь появляется из инертной материи, из "первичного бульона" 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.
Поделиться публикацией
Комментарии 28
    –4
    Если бы жизнь была основана на детерминированной физике, исход каждого взаимодействия был бы предрешен и не было смысла в осознании себя машинами, живущими в этой чисто механической вселенной. Квантовая неопределенность исходов взаимодействия — вот то, что является причиной разницы между разумом и машиной.
      +1
      не было смысла в осознании себя машинами

      А сейчас он есть? Наличие смысла — это субъективная оценка человеческих существ. Это не выйдет использовать для доказательства разницы между людьми и машинами.

        –1
        Я и не претендовал на доказательство. Это всего лишь гипотеза. Мы ведь не знаем, что такое разум и откуда он получается. Нам еще далеко до этого понимания.
          0
          Мы ведь не знаем, что такое разум и откуда он получается.

          Ты точно уверен в этом, ведь есть вечный философский вопрос «Бытие формирует сознание, или сознание формирует бытие», ведь даже в энциклопедии написано что такое «жизнь» — особая форма существования белковых молекул. А вот что такое самовосприятие и самоосознание до сих пор никто не определил. Простой вопрос почему ты себя осознаешь, а других нет?
        0
        Квантовая неопределенность исходов взаимодействия — вот то, что является причиной разницы между разумом и машиной.
        Это утверждение из какой-то гипотезы или кем-то доказано?
          0
          Всего лишь гипотеза. Мысли вслух.
            +2
            А зачем необходима случайность/неопределенность исходов для существования разума? «Ноги растут» из интуитивного желания иметь «свободу воли», из неприятия фатализма? )
          0

          Изначально посыл ошибочен.
          Недетерминистских процессов в классической физике огромное количество.
          Нет необходимости в квантах.
          При этом квантовая природа разума вполне возможна. Но недоказана.

            0
            Но ведь смысл сказанного не меняется от того, откуда берется эта недетерминированность — из классической или квантовой физики. Действительно, чтобы исправить эту неточность слово «квантовая» из последнего предложения следует убрать.
              0

              Конечно.
              Если обратить внимание на основе этой недетерминированности базируется практически вся биохимия. Многие биохимические реакции равновесные и то куда реакция пойдет определяется сторонними факторами или взаимодействия факторов.
              Вся "гладкость" биохимии от того что реакции рассматриваются статистически.


              К вопросу о разуме…
              Дело в том что я не вижу принципиальной разницы между "разумом" и "машиной" предполагая что "разумной" может считаться система внутренняя сложность которой превышает порог (определяемый наблюдателем).
              При таком подходе, то какие процессы превалируют в системе (детерминированные или нет) является не важным.
              Потому как достаточное количество взаимосвязанных детерминированных процессов даст недетерминированный результат (см. странные аттракторы).


              К сожалению любая дискуссия о разуме и/или жизни непродуктивна, если не введена общепринятая и достаточно строгая номенклатура.


              Последний вал статей на хабре об искусственном генерализованном интеллекте это прекрасно показывает. Полезной информации в них минимум и каждый из авторов говорит о чем-то своём используя собственные часто нестрогие определения. Зачастую определений не вовсе.
              Я в принципе не собирался дискутировать лишь хотел обратить внимание на неточность в базовом посыле и нестрогость выводов.

                0
                Я тоже не вижу принципиальной разницы между разумом и машиной, когда смотрю на них со стороны. Разум — это феномен, который ты можешь воспринимать, когда им являешься. Когда не являешься — по сути, не сможешь определить. Если будет создан искусственный интеллект, я не смогу отличить его от слишком умной чат программы. Ведь ответы у них будут одинаковые. А осознавать себя будет лишь один из них.
                  0
                  А осознавать себя будет лишь один из них.

                  А вот с этим снова не соглашусь, самоосознание не является обязательным для разума, рекомендую Томаса Метцингера
            0
            Поиск истоков сознания (жизни, разума, свободы воли и т.д.) в фундаментальной случайности явлений квантового мира — логическая ловушка, в которую попались примерно все, кто интересуется этим вопросом. Вне зависимости от учёных степеней и индексов цитирования.

            По какой-то загадочной причине за основную фичу разумности взята непредсказуемость. Если бы это было так, то самым разумным предметом была бы монетка, итог подбрасывания которой мы предсказывать не умеем. Очевидно, это не так. Монетка ничего не решает и собственным разумным поведением не обладает не смотря на всю случайность. Так зачем, чёрт возьми, публика с упорством достойным лучшего применения снова и снова пытается искать истоки разумности в случайности?

            Принципиальная разница между разумом и машиной не в том, что некий гипотетический наблюдатель, вооружившись неким гипотетическим бесконечно мощным компьютером мог бы, если бы существовал, предсказать реакцию, а совсем в другом — в наличии собственного целеполагания. Грубо говоря, в том, что монетке по шарабану какой стороной упасть, а живому существу не по шарабану, выживет оно или сдохнет.

            Исходя из этого описанное в статье исследование можно посчитать любопытным и, возможно, перспективным с точки зрения побочных находок, но ответов на проклятые вопросы ждать от него не следует. Ребята двинулись в неверном направлении. Как говорил в анекдоте директор стадиона, здесь рыбы нет.
              0
              Почему вы считаете ошибочность этой гипотезы доказанной? Пока никто не знает, что такое разум, мы не можем ничего ни доказать ни опровергнуть. И вы путаете причину со следствием — непредсказуемость не является фичей разума, она является причиной появления разума.
                0
                Да там даже гипотезы нет. Нет той штуки, ошибочность которой можно было бы доказывать. Просто некое предубеждение. По сути, суеверие. Логический аттрактор, затягивающий в себя любой дискурс по теме. Идейный тупик, в который все забредают и там благополучно сидят.

                «Никто не знает, что такое разум». Не знаю кому как, но мне почему-то ситуация ну ни разу не удивительная. Сидя в тупике, мы уже даже забыли о том, куда вообще шли и что искали. От нечего делать кормим друг друга старыми мифами и изображаем бурную деятельность. В принципе, конечно, ничего страшного. В нашем идейном тупике тепло, сытно, уютно и мухи не кусают.

                Что касается перепутыванию причины со следствием… Просто имейте в виду, что «случайность» — весьма хитрая многозначная категория, продуктивно применяемая нашими разумами для понимания и количественного описания тех явлений, точные сведения о которых нам по какой-либо причине недоступны. Говорить, что некий полезный мыслительный инструмент сам по себе является причиной мышления, ИМХО, грубейшая логическая ошибка.
                  0
                  Ну вообще, мы начинали с неопределенности — то есть невозможности предсказать результат при известных исходных параметрах, или наличие фундаментального закона невозможности измерения этих параметров. А вы начали говорить о случайности. Возможно, если мы общаемся «ни о чем», мы могли бы допустить, что в контексте данного разговора вообще без разницы, о чем говорить. Только вот для меня разница есть. Случайность — это недостаточность данных для вычисления исхода. А значит это не настоящая случайность, а псевдослучайность, которая может подчиняться, например, фазам луны (реально есть исследователи, которые не считают это бредом)
                  Возможно, этого достаточно для существования разума, но я имел ввиду базовую фундаментальную неопределенность, порождающую истинную случайность.
                    0
                    Чисто с практической точки зрения разницы между фундаментальной неопределённостью и банальной случайностью — никакой. С позиции высокоумного мировоззренческого теоретизирования — да, можно сделать различие. Сказать, например, что монетка не истинно случайна, потому что если мы создадим компьютер, в который заложим координаты и импульсы всех атомов в комнате, то мы просчитаем результат броска. Но такого компьютера мы никогда не создадим. Не существует никакого способа это сделать. Ну то есть совсем. Никак. Ни на какой стадии развития технологий. Применительно к монетке не существует способа попасть в ситуацию, когда у нас достаточно данных для вычисления исхода. По факту, монеткина случайность (если бросать монетку по-честному) столь же случайна, как и квантовая.

                    Есть прикольная теоретическая игрушка. Называется «идеальный бильярд». На первый взгляд всё просто. Моделируем катание идеально круглых шариков, которые идеально упруго сталкиваются друг с другом, по идеально гладкому бильярдному столу. После нескольких тысяч столкновений запускаем моделирование в обратную сторону и смотрим, восстанавливается ли первоначальная позиция. А она не восстанавливается. Просто потому, что процесс сильно нелинейный, и любая погрешность в тысячном знаке после запятой после серии столкновений даёт совсем другую картинку. С одной стороны, гоняем абсолютно детерминированную модель, но с другой стороны, чтобы эту беду честно посчитать, у нашего компа должна быть арифметика бесконечной разрядности.
                    Это я к тому, что даже на весьма простых детерминированных системах мы имеем неустранимую неопределённость, работать с которой реально можем только через матаппарат теории вероятности.

                    Впрочем, всё это не важно. Мы умеем думать не потому, что у нас в головах правильные генераторы неопределённости. Тема свободы воли целиком перпендикулярна теме «случайности и неопределённости».
              0
              А наука уже-таки поняла, что от сознания есть какой-то прок? Что вообще вам даёт осознанность, что не объясняется биохимией и нейробиологией? Может сознание вообще побочный продукт и создаёт лишь бессильного наблюдателя, тогда нет никакой разницы между человеком и машиной. Исход вполне может быть предрешён, имеет система сознание или нет.
              Эволюция и физика не порождают смыслы, в детерминированной вселенной, возможно, может возникнуть сознание.
                0
                Почему все люди настолько фундаментально ошибаются???
                Представим фаталистичную вселенную, которая на 100% детерминированная и дискретная (обязательно). Жители этого мира начинают «опровергать» идею о предрешенности их решений. Они строят компьютер, закладывают начальные параметры своей вселенной и запускают симуляцию. Они ожидают, что компьютер предскажет их будущие поступки и они смогут поступить «против» этого предсказания. Что в итоге получается?
                1) Компьютер, работающий по законам их мира, будет работать не быстрее реальных процессов, а по факту медленнее. Например, за 2 секунды своей работы симулировать только одну секунду «реальности». Как же тогда ученые запускают симуляции столкновений галактик? Всё дело в точности. Например, для получения 90% верного результата можно потратить 1 час, но для получения 100% точности нужно миллиард лет. Жертвуя точностью можно ускорить процесс в 10^n раз.
                2) Представим компьютер работающий вне их мира, который может симулировать быстрее «реальности». В какой-то момент он дойдет до момента, когда симулированные жители создают компьютер для предсказания будущего. Теперь наш компьютер должен должен просчитывать работу симулированного компьютера. Тот работает и доходит до момента, где «симулированные „симулированные“ » жители создают компьютер и… (бесконечная рекурсия). Как бы быстро не работал суперкомпьютер, он никогда не остановится.
                3) Представим сверхкомпьютер, который выполняет бесконечно операций за 2 секунды. Во время симуляции он просчитал результат и то, как он влияет на жителей этого мира. В том числе он предскажет то, что они «поменяют» решение, чтобы нарушить «предсказание». (О подобной идеи читайте Тед Чана «История твоей жизни»)

                Что мы имеем? Пункт 1 и 2 показывают, что даже в детерминированном мире невозможно на 100% заранее предсказать события. Пункт 3 показывает, что «свобода воли» не значит непредсказуемость.
                Все пункты доказывают отсутствие "предрешенности". Мы имеем только «послерешенность» или «решенность».
                ИМХО: я уверен, что все 3 пункта относятся и к нашей Вселенной.
                  0
                  Этой гипотезе посвящена книга «Новый ум императора» Пенроуза.
                  Книга очень интересная даже безотносительно этой гипотезы, т.к. затрагивает множество вопросов — вычислимость, детерминизм, кванотвые эффекты и т.д.
                    0
                    Спасибо! Уже читаю
                  0
                  Воплощение в жизнь фильма 13й этаж.
                    +5
                    Если что, исследователи берут пару кубитов, называют каждый из них «генотипом», проводят с ними какие-то операции, называют результат «фенотипом», потом проводят еще операции и каким-то образом проводят параллели между тем, что происходит с состояниями кубитов и эволюцией жизни.
                    Похоже, речь идет о квантовом аналоге генетического алгоритма, в котором эволюции подвергаются квантовые состояния. Чтобы понять, насколько это интересно нужно быть специалистом.
                      +3
                      Но в статье написано про симуляцию эволюции, а не жизни. Рабинович напел Карузо, в общем.
                        +4
                        TL;DR; Написали квантовый вариант «Жизни» Конвея.
                          0

                          На пяти рандомных клетках.

                          0
                          Игра «Жизнь?» :) image
                            0
                            Думаю, тут будет уместно прямо в тему оставить упоминание о книге Дэна Брауна «Происхождение». Мне очень понравилось.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое