研究人員利用量子計算機成功模擬出世界首個“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行機制，實現(xiàn)用量子力學(xué)解釋生命的起源問題。未來的量子計算機能夠在沒有人工設(shè)計算法的情況下，實現(xiàn)自主模擬進化。

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

近日，一個國際化的研究團隊有史以來第一次使用量子計算機創(chuàng)造出人工生命，即模擬生物體，科學(xué)家們可以用它來了解整個人群的生命機制，可以細微至細胞間的相互作用。

簡單來講，科學(xué)家們利用量子計算機，在微觀水平上將超導(dǎo)量子比特表示的個體生物體進行“交配”，也就是與其周圍環(huán)境進行相互作用，并令其“死亡”來模擬影響進化的一些主要因素。

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，這證明量子計算機確實可以模擬現(xiàn)實世界中的一些生物模式。

這項新的突破性研究發(fā)表在周四的Scientific Report上，雖然只是一個早期的概念驗證原型，但它為進一步深入探討量子力學(xué)與生命起源之間的關(guān)系打開了大門，最終可能有助于回答生命的起源是否可以用量子力學(xué)來解釋的問題。

五量子比特量子處理器，模擬個體間自我復(fù)制、變異、個體之間的交互

量子人工生命模型可以用來研究科學(xué)中最令人困惑的問題之一：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，這個問題的答案可能存在于量子領(lǐng)域中。但是，由于當(dāng)時人們無法打造出用于模擬這個問題的強大的量子計算機，因此進展比較緩慢。

后來，在計算機內(nèi)部創(chuàng)建人工生命已經(jīng)成為許多實驗的主題，但是當(dāng)前的軟件通常采用經(jīng)典的牛頓方法——一步一步地進行邏輯推進來生成這些模型。

如果加入量子的元素，模擬不再局限于1和0，而是可以引入我們在日常生活中看到的一些隨機性，這有望開辟一個探索的全新領(lǐng)域，就像在一個全新的物理層面上玩模擬人生一樣。

Scientific Report報道了由物理學(xué)家Enrique Solano和巴斯克科學(xué)基金會領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊最新成果。

Enrique Solano

與今天常用的“經(jīng)典”計算機不同（只處理二進制位信息，其值可以是1或0），量子計算機使用的是量子比特，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)模量子計算機將具有比傳統(tǒng)計算機更強大的信息處理能力。

研究團隊的目標是創(chuàng)建一個計算機模型，復(fù)制量子計算機上的達爾文進化過程。為此，研究人員使用IBM開發(fā)的五量子比特量子處理器，可通過云訪問。

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

Solano 表示：“生命是一種復(fù)雜的宏觀特征，是從無生命的物質(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孤立的物體。我們的研究將這些令人驚訝的復(fù)雜事件稱為'生命'，從而進入了原子和微觀世界......而且真的見效了?！?/p>

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

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

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

最后，這些個體會互相交流。這需要四個量子比特（兩種基因型和兩種表型）來完成，但如果它們滿足在其基因型量子比特中編碼的某些標準，則表型僅交互并交換信息。

這種交互會產(chǎn)生一個新的個體，重新開始上述的過程。研究人員將這一過程一共重復(fù)進行了超過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，下一步是對算法進行縮放，以適用于更多個體并擴展這些個體的特征。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”，以進一步探索量子級別上的社交和兩性間交互。

“對物種的生存和繁殖來說，我們可能會發(fā)現(xiàn)兩種以上的性別更好，也可能無性更好?！盨olano說。

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

雖然實現(xiàn)所謂的“量子至上”所需的計算技術(shù)尚未完全實現(xiàn)，但Solano及其同事的研究最終可能會導(dǎo)致量子計算機能夠在沒有人工預(yù)先設(shè)計算法的情況下實現(xiàn)自主模擬進化。