Una computadora cuántica simuló la evolución

^{U. Alvarez-Rodriguez et. al.}

Un grupo de científicos de España y China modeló el proceso de evolución de dos criaturas primitivas, mediante un modelo de computación cuántica. Para ello, los investigadores usaron la computadora cuántica en la nube IBM ibmqx4 y demostraron que las leyes de la evolución realmente funcionan en dicho sistema. La preimpresión del artículo está disponible en arXiv.org.

En este trabajo, el equipo dirigido por Unai Alvarez-Rodríguez modeló la evolución de un sistema simple en una computadora cuántica que opera cinco qubits y permite que cualquiera pueda acceder a ellos desde la nube. Esta computadora fue lanzada por IBM en 2016. A finales de este año, IBM se compromete a lanzar una nueva versión de esta computadora en la nube, que ya opera con veinte qubits.

El sistema, modelado por científicos, incluyó dos “seres vivos” primitivos. Cada una de estas criaturas consistía de dos qubits, en los que se codificó un “genotipo” y un “fenotipo”. El genotipo contenía información que describía el tipo de célula viva y se transmitió de generación en generación (una especie análoga del ADN muy simplificada). El estado del fenotipo no se transmitió a la siguiente generación, pero durante el período de “vida” de la criatura cambió debido a la interacción con el entorno y con la segunda criatura, y determinó la duración de su vida.

Al igual que los seres ordinarios, el modelo pasó por las mismas etapas de vida, solo que estas se realizaron con la ayuda de efectos cuánticos. El proceso más importante en la vida es la reproducción que transmite información genética a la próxima generación. Los científicos llevaron a cabo este proceso transfiriendo información del qubit, que describe el genotipo, a un qubit limpio.

La interacción con el exterior estuvo determinada por el fenotipo de la criatura. Durante esta interacción, el estado del fenotipo se deterioró gradualmente, modelando el envejecimiento. La muerte ocurrió cuando el qubit alcanzó cierto estado asintótico. Para modelar la selección natural, en cada generación, los científicos seleccionaron y principalmente copiaron los genotipos de aquellos seres que vivieron más tiempo.

^{El proceso de mutación, es decir, el intercambio de fenotipo (arriba) y reproducción (abajo) en el sistema propuesto de cuatro qubits
U. Alvarez-Rodriguez et. al.}

Los investigadores también modelaron mutaciones aleatorias. Para hacer esto, de vez en cuando mezclaban los fenotipos de las dos criaturas, sin modificar sus genotipos. Por supuesto, esto aún no se parece a la reproducción sexual, durante la cual la información genética de diferentes individuos se mezcla, pero simula bien a células ordinarias que se multiplican por simple división.

Los científicos repitieron estos procesos muchas veces. Por ejemplo, en los experimentos en los que no se mezclaron fenotipos se pudo cambiar 8.192 generaciones. Al simular procesos con diferentes tipos de mutaciones, los científicos repitieron los cálculos 1.024 veces.

El resultado demostró que las mutaciones realmente ayudan a las criaturas a sobrevivir; en este caso, su duración promedio fue ligeramente más larga que en la evolución sin mezcla de fenotipos. En general, los datos experimentales obtenidos coincidieron bastante bien con las distribuciones teóricas que se calcularon previamente en una computadora clásica. Los científicos señalan que un pequeño número de qubits impone restricciones estrictas en el proceso de evolución. Por lo tanto, van a repetir los experimentos en versiones más nuevas de la computadora en la nube de IBM.

Dmitry Trunin

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