La simulation quantique pourrait éclairer les origines de la vie

Quel rôle joue la mécanique quantique dans la machinerie de la vie ? Personne n'en est tout à fait sûr, mais ces dernières années, les physiciens ont commencé à étudier toutes sortes de possibilités. Au cours de ce processus, ils ont rassemblé des preuves suggérant que la mécanique quantique joue un rôle important dans la photosynthèse, dans la navigation des oiseaux et peut-être dans notre odorat.

Il y a même une ligne de pensée spéculative selon laquelle les processus quantiques doivent avoir gouverné l'origine de la vie elle-même et la formulation du code génétique. Le travail d'étude de ces questions est en cours et implique une observation attentive des molécules de la vie.

Mais il y a une autre façon d'aborder cette question de bas en haut. Les informaticiens ont longtemps joué avec des formes de vie artificielles construites à partir de code informatique. Ce code vit dans un paysage à base de silicium où son adéquation est mesurée par rapport à certains critères de sélection.

Le processus d'évolution quantique et la création d'une vie quantique artificielle

Il se reproduit en se combinant avec d'autres codes ou par la mutation de son propre code. Et le code le plus apte a plus de descendants tandis que le moins apte meurt. Autrement dit, le code évolue. Les informaticiens ont utilisé cette approche pour étudier divers aspects de la vie, de l'évolution et de l'émergence de la complexité.

Il s'agit d'un processus tout à fait classique suivant les étapes newtoniennes ordinaires, les unes après les autres. Le monde réel, en revanche, comprend la mécanique quantique et les phénomènes étranges qu'elle permet. C'est ainsi que se pose la question de savoir si la mécanique quantique peut jouer un rôle dans l'évolution et même dans l'origine de la vie elle-même.

Une première étape importante consiste donc à reproduire ce processus d'évolution dans le monde quantique, en créant des formes de vie quantiques artificielles. Mais est-ce possible ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail d'Unai Alvarez-Rodriguez et de quelques copains de l'Université du Pays Basque en Espagne. Ces gars ont créé pour la première fois une version quantique de la vie artificielle. Et ils disent que leurs résultats sont les premiers exemples d'évolution quantique qui permettent aux physiciens d'explorer la façon dont la complexité émerge dans le monde quantique.

L'expérience est simple dans son principe. L'équipe pense que la vie quantique se compose de deux parties : un génotype et un phénotype. Tout comme pour la vie basée sur le carbone, le génotype quantique contient l'information quantique qui décrit l'individu, son code génétique. Le génotype est la partie de l'unité de vie quantique qui se transmet d'une génération à l'autre.

Le phénotype, d'autre part, est la manifestation du génotype qui interagit avec le monde réel - le corps de l'individu. Cet état, ainsi que les informations qu'il encode, se dégrade au cours de la vie de l'individu, disent Alvarez-Rodriguez et co.

Ainsi, chaque unité de vie quantique se compose de deux qubits, l'un représentant le génotype et l'autre le phénotype. L'objectif est de reproduire les processus caractéristiques de l'évolution darwinienne, adaptés au langage des algorithmes quantiques et de l'informatique quantique, précise l'équipe.

La première étape du processus évolutif est la reproduction. Alvarez-Rodriguez et co le font en utilisant le processus d'intrication, qui permet la transmission d'états quantiques d'un objet à un autre. Dans ce cas, ils enchevêtrent le qubit de génotype avec un état vide, puis transfèrent ses informations quantiques.

L'étape suivante est la survie, qui dépend du phénotype. Alvarez-Rodriguez et co le font en transférant un aspect de l'état du génotype à un autre état vierge, qui devient le phénotype. Le phénotype interagit alors avec l'environnement et finit par se dissiper.

Ce processus équivaut au vieillissement et à la mort, et le temps qu'il prend dépend du génotype. Ceux qui vivent plus longtemps sont implicitement mieux adaptés à leur environnement et se reproduisent préférentiellement à la génération suivante.

Il y a un autre aspect important de l'évolution : comment les individus diffèrent les uns des autres. Dans l'évolution ordinaire, la variation se produit de deux manières. La première est par recombinaison sexuelle, où le génotype de deux individus se combine. La seconde est par mutation, où des changements aléatoires se produisent dans le génotype au cours du processus de reproduction.

Alvarez-Rodriguez et co emploient ce deuxième type de variation dans leur monde quantique. Lorsque l'information quantique est transférée d'une génération à l'autre, l'équipe introduit un changement aléatoire, dans ce cas une rotation de l'état quantique. Et cela, à son tour, détermine le phénotype et la manière dont il interagit avec son environnement.

C'est donc la théorie. L'expérience elle-même est délicate car les ordinateurs quantiques en sont encore à leurs balbutiements. Néanmoins, Alvarez-Rodriguez et co ont utilisé l'IBM QX, un ordinateur quantique supraconducteur au T.J. d'IBM. Watson Laboratories que l'entreprise a rendu accessible au public via le cloud. La société affirme que quelque 40 000 personnes se sont inscrites pour utiliser le service et ont exécuté ensemble quelque 275 000 algorithmes quantiques via l'appareil.

Alvarez-Rodriguez et co ont utilisé la version à cinq qubits de la machine, qui exécute des algorithmes quantiques qui permettent des interactions à deux qubits. Cependant, le système impose certaines limites au processus d'évolution que l'équipe souhaite exécuter. Par exemple, il ne permet pas que les variations introduites au cours du processus de reproduction soient aléatoires.

Au lieu de cela, l'équipe a exécuté l'expérience plusieurs fois, en introduisant une rotation connue différente dans chaque exécution, puis en examinant les résultats ensemble. Au total, ils exécutent l'expérience des milliers de fois pour avoir une bonne idée des résultats.

En général, les résultats correspondent aux prédictions théoriques avec une grande fidélité. Les expériences reproduisent les propriétés caractéristiques du scénario de sélection naturelle quantique recherché, disent Alvarez-Rodriguez et co.

Et l'équipe dit que les mutations ont un impact important sur les résultats : [Elles] ont considérablement amélioré la fidélité du résultat de l'algorithme quantique. Ce n'est pas si différent du monde classique, où les mutations aident les espèces à s'adapter à des environnements changeants.

Bien sûr, il y a des mises en garde importantes. Les limites de l'ordinateur quantique d'IBM soulèvent des questions importantes quant à savoir si l'équipe a vraiment simulé l'évolution. Mais ces problèmes devraient être aplanis dans un proche avenir.

Tout ce travail est le résultat de la longue focalisation de l'équipe sur la vie quantique. En 2015, nous avions rendu compte des travaux de l'équipe sur la simulation de la vie quantique sur un ordinateur classique. Ils ont maintenant franchi la première étape en testant ces idées sur un véritable ordinateur quantique.

Et l'avenir s'annonce radieux. La technologie informatique quantique progresse rapidement, ce qui devrait permettre à Alvarez-Rodriguez et co de créer une vie quantique dans des environnements plus complexes. IBM, par exemple, a un processeur de 20 qubits en ligne et teste une version de 50 qubits.

Cela rendra possible une variété de nouvelles expériences sur la vie quantique. La plus évidente inclura la capacité des formes de vie quantiques à interagir les unes avec les autres et peut-être à se reproduire par recombinaison sexuelle, c'est-à-dire en combinant des éléments de leurs génotypes. Une autre possibilité sera de permettre aux formes de vie quantiques de se déplacer et de voir comment cela influence leurs interactions et leur capacité de survie.

Ce qui va émerger n'est pas clair. Mais Alvarez-Rodriguez et co espèrent que leurs formes de vie quantiques deviendront des modèles importants pour explorer l'émergence de la complexité dans le monde quantique.

À terme, cela devrait alimenter notre compréhension du rôle des processus quantiques dans les formes de vie à base de carbone et l'origine de la vie elle-même. Le débat qui s'ensuivra sera fascinant à regarder.

Réf : arxiv.org/abs/1711.09442 : La vie artificielle quantique dans un ordinateur quantique IBM

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