Kwantumbiologie is het vakgebied waarbij kwantummechanische processen ten grondslag liggen aan het verschil tussen levend en niet-levend materiaal. De hypothese is dat die kwantumprocessen in DNA-mutaties een adaptief effect hebben die bijdragen aan evolutionaire ontwikkeling (naast natuurlijke selectie).

Kwantummechanische experimenten hebben met het onzekerheidsbeginsel van Schrödinger de theoretische grondslag gelegd voor de meer-werelden-interpretatie, het multiversum. Het adaptieve karakter van kwantummutaties zou hebben voorkomen dat de kans op het bestaan van ons universum nihil is (het antropisch principe).

Kwantumcoherentie werkt als een zichzelf versterkend proces (sneeuwbaleffect) waardoor de statistische meer-werelden-interpretatie (multiversum) overeind kan blijven. Alleen in het begin is er maar een hele kleine kans op de ‘route’ die in ons universum gebruikelijk is, maar na verloop van tijd wordt deze kans steeds groter. Tijd speelt een essentiële rol bij kwantumcoherentie.

Over kwantumbiologie is ondertussen al veel gepubliceerd. Enige kennis van kwantummechanica is over het algemeen niet overbodig. Voor het Nederlands taalgebied is er Hoe Leven Ontstaat van Jim Al-Khalili & Johnjoe McFadden (Atlas Contact, 2015). Van Johnjoe McFadden verscheen ook (alleen Engelstalig) Quantum Evolution (Norton, 2001). Tijdens een TED conferentie in 2015 vertelt Jim Al-Khlili over hoe kwantumbiologie de grootste vragen over het leven zou kunnen verklaren: https://www.ted.com/talks/jim_al_khalili_how_quantum_biology_might_explain_life_s_biggest_questions/transcript?language=nl

Professor Enrique Solano is directeur van QUTIS, een organisatie die in internationaal verband onderzoek doet naar kwantumtechnologieën en de ontwikkeling van kwantumcomputers. De Peruaanse natuurkundige is daarnaast verbonden aan het Institute of Quantum Computing in Waterloo, Canada, het Quantum Technology Institute in Shanghai en de Shanghai University.

Hieronder volgt een Nederlandse vertaling van de bespreking van zijn werk door Daniel Oberhaus in 2018:

 

Voor de eerste keer is een internationaal team van onderzoekers er in geslaagd om met behulp van de kwantumcomputer levensprocessen te simuleren die wetenschappers beter in staat stelt om interacties te begrijpen tussen zowel hele organismen als de cellen waaruit ze zijn opgebouwd.

Processen die van invloed zijn op de evolutie zoals voortplanting, interactie met de omgeving en sterfte werden in de computer nagebootst met behulp van supergeleidende qubits.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Scientific Reports ¹, is een doorbraak op het gebied van de kwantumbiologie en vragen over de invloed van kwantumfysica op het ontstaan van leven.

Met het kunstmatig door een kwantumcomputer opwekken van leven probeert men een van lastigste wetenschappelijke kwesties op te lossen: hoe is leven op aarde ontstaan uit de levenloze oersoep van organische moleculen?

Al in 1944 suggereerde Erwin Schrödinger in zijn boek What is Life? dat het antwoord was te vinden in de kwantumprocessen. Maar het heeft even geduurd voordat er voldoende krachtige kwantumcomputers waren om zo’n vraag aan te pakken.

In tegenstelling tot een gewone computer zoals jij gebruikt om dit stukje te lezen en die op binaire wijze – een 1 óf een 0 - informatie verwerken, maken kwantumcomputers gebruik van qubits die tegelijkertijd 1 én 0 kunnen zijn. Door deze zogenaamde super-positionele eigenschap hebben kwantumcomputers een veel grotere rekenkracht dan de klassieke computers.

De onderzoeksgroep van de Basque Foundation for Science heeft onder leiding van de natuurkundige Enrique Solano een computermodel willen maken waarmee Darwins evolutieprocessen met een kwantumcomputer konden worden gereproduceerd. Daarvoor hebben ze gebruik gemaakt van een vijf qubit kwantum processor ontwikkeld door IBM en beschikbaar via de cloud.

Met dit kwantumalgoritme werden belangrijke biologische processen zoals zelfreplicatie, mutatie, interacties en dood gesimuleerd op het niveau van qubits. Het eindresultaat was een nauwkeurige weergave van de evolutionaire processen op microscopisch niveau.

“Life is a complex macroscopic feature emerging from inanimate matter, while quantum information is a feature of qubits—microscopic isolated objects happening in the universe of the very small,” schreef Solano in een email. “Our research brought these amazingly sophisticated events called ‘life’ to the realm of the atomic and microscopic world… and it worked.”

Individuen werden in het model vertegenwoordigd door twee qubits. Eén daarvan voor het genotype, de genetische code van een bepaald kenmerk, en het andere voor het fenotype, oftewel het uiterlijke kenmerk.

Om zelfreplicatie na te bootsen werd de verwachting (het gemiddelde van alle denkbare mogelijkheden) van een genotype door het algoritme gekopieerd en via kwantumverstrengeling – de eigenschap die kwanta in staat stelt synchroon informatie uit te wisselen – aan een nieuwe qubit gekoppeld. Voor het creëren van mutaties codeerden de onderzoekers willekeurige qubit wisselingen in het algoritme van het genotype.

Vervolgens vormde het algoritme een model van de wisselwerking tussen het individu en de omgeving met inbegrip van ouder worden en eventuele sterfte. Dit werd gedaan door het vernieuwde genotype na zelfreplicatie via verstrengeling te verplaatsen naar een andere qubit. Deze vertegenwoordigde dan het fenotype van het individu. De informatie die in dit fenotype ligt opgeslagen bepaalt de levensduur van het individu, oftewel de tijd die het kost voordat de informatie uiteen valt of verdwijnt door interactie met de omgeving.

Tenslotte was er ook sprake van interactie tussen deze individuen. Daar waren vier qubits voor nodig (twee genotypen en twee fenotypen), maar er was alleen informatie uitwisseling tussen de fenotypes als ze aan bepaalde voorwaarden voldeden die waren vastgelegd in de qubits van hun genotype.

Uit de wisselwerking ontstond een nieuw individu waarmee het proces opnieuw gestart werd. In totaal werd het proces meer dan 24000 maal herhaald.

“Our quantum individuals are driven by an adaptation effort along the lines of a quantum Darwinian evolution, which effectively transfer the quantum information through generations of larger multi-qubit entangled states,” schreven de onderzoekers.

De volgende stap is om het algoritme toe te passen op een groter aantal individuen met meer verschillende eigenschappen. Bijvoorbeeld door geslachtskenmerken in te voeren om sociale en seksuele interacties op kwantum niveau te onderzoeken.

“We may find that more than two genders is better, or perhaps none, for the sake of species survival and propagation,” aldus Solano.

Daarnaast willen Solano en zijn collega’s het aantal gesimuleerde interacties opvoeren. Dat is echter pas mogelijk met nog snellere kwantumcomputers.

De kwantumtechniek heeft nog een lange weg te gaan, vooral dank zij het extreme karakter van qubits. Ze zijn enorm gevoelig voor ruis; ze kunnen alleen gebruikt worden in complexe en dure systemen waar ze tegen verstoringen van buiten kunnen worden afgeschermd. Daarvoor is een groot aantal lasers nodig, exotische materialen en een extreem lage temperatuur.

Zelfs dan is het nog moeilijk om meer dan enkele tientallen qubits te laten samenwerken. Google heeft onlangs een record gevestigd met een 72-qubit processor, maar dat is nog lang niet genoeg om de klassieke computers van hun troon te stoten.

Hoewel het nog aan de noodzakelijke technologie ontbreekt om een ‘kwantum heerschappij’ te vestigen, zou het werk van Solano en zijn collega’s wel eens kwantumcomputers kunnen opleveren die zelfstandig een evolutie-model kunnen genereren zonder eerst een door mensen ontworpen algoritme toegediend te krijgen.

 

¹ U. Alvarez-Rodriguez, M. Sanz, L. Lamata & E. Solano. Quantum Artificial Life in an IBM Quantum Computer. Scientific Reports, volume 8, article 14793(2018)