Kwantumbiomimetica bestaat uit het reproduceren in kwantumsystemen van bepaalde eigenschappen die exclusief zijn voor levende organismen. Onderzoekers van de Universiteit van Baskenland hebben natuurlijke selectie nagebootst, leren en geheugen in een nieuwe studie. De ontwikkelde mechanismen kunnen kwantumberekening een boost geven en het leerproces in machines vergemakkelijken.

Unai Alvarez-Rodriguez is een onderzoeker in de Quantum Technologies for Information Science (QUTIS) onderzoeksgroep verbonden aan de UPV/EHU's Department of Physical Chemistry, en een expert in kwantuminformatietechnologieën. Kwantuminformatietechnologie gebruikt kwantumverschijnselen om rekentaken te coderen. In tegenstelling tot klassieke berekeningen, kwantumberekening "heeft het voordeel dat het niet beperkt is tot het produceren van registers met waarden van nul en één, "zei hij. Qubits, het equivalent van bits in klassieke berekening, kan waarden van nul aannemen, een of beide tegelijk, een fenomeen dat bekend staat als superpositie, die "kwantumsystemen de mogelijkheid geeft om veel complexere bewerkingen uit te voeren, het vaststellen van een computationele parallel op kwantumniveau, en biedt betere resultaten dan klassieke rekensystemen, " hij voegde toe.

De onderzoeksgroep waartoe Alvarez-Rodriguez behoort, besloot zich te concentreren op het nabootsen van biologische processen. "We dachten dat het interessant zou zijn om systemen te creëren die bepaalde eigenschappen kunnen nabootsen, exclusief levende wezens. Met andere woorden, we probeerden kwantuminformatieprotocollen te ontwerpen waarvan de dynamiek analoog was aan deze eigenschappen." De processen die ze kozen om te imiteren door middel van kwantumsimulators waren natuurlijke selectie, geheugen en intelligentie. Dit bracht hen ertoe het concept van kwantumbiomimetica te ontwikkelen.

Ze creëerden een natuurlijke selectieomgeving waarin individuen waren, replicatie, mutatie, interactie met andere individuen en de omgeving, en een toestand gelijk aan de dood. "We hebben dit laatste mechanisme ontwikkeld zodat de individuen een eindige levensduur zouden hebben, " zei de onderzoeker. Dus door al deze elementen te combineren, het systeem heeft geen enkele duidelijke oplossing:"We benaderden het natuurlijke selectiemodel als een geschil tussen verschillende strategieën waarbij elk individu een strategie zou zijn om het probleem op te lossen, de oplossing zou de strategie zijn die de beschikbare ruimte kan domineren."

Het mechanisme om geheugen te simuleren, anderzijds, bestaat uit een systeem dat wordt beheerst door vergelijkingen. Maar vergelijkingen vertonen een afhankelijkheid van hun vorige en toekomstige toestanden, dus de manier waarop het systeem verandert "hangt niet alleen af ​​van de huidige staat, maar op zijn staat vijf minuten geleden, en waar het over vijf minuten zal zijn, ", legde Alvarez-Rodriguez uit.

Eindelijk, in de kwantumalgoritmen met betrekking tot leerprocessen, ze ontwikkelden mechanismen om goed gedefinieerde taken te optimaliseren, om klassieke algoritmen te verbeteren, en om de foutenmarges en de betrouwbaarheid van operaties te verbeteren. "We zijn erin geslaagd om een ​​functie in een kwantumsysteem te coderen, maar niet om deze rechtstreeks te schrijven; het systeem deed het autonoom, we zouden kunnen zeggen dat het 'geleerd' heeft door middel van het mechanisme dat we zo hebben ontworpen dat het zou gebeuren. Dat is een van de meest nieuwe ontwikkelingen in dit onderzoek, " hij zei.

Van rekenmodellen naar de echte wereld

Al deze methoden en protocollen die in zijn onderzoek zijn ontwikkeld, hebben de middelen opgeleverd om allerlei systemen op te lossen. Alvarez-Rodriguez zegt dat de geheugenmethode kan worden gebruikt om zeer complexe systemen op te lossen:"Het zou kunnen worden gebruikt om kwantumsystemen in verschillende omgevingscondities te bestuderen, of op verschillende schalen in een meer toegankelijke, goedkopere manier.”

Wat betreft natuurlijke selectie, "meer dan wat dan ook hebben we een kwantummechanisme bedacht waarop zelfreplicerende systemen kunnen worden gebaseerd en dat kan worden gebruikt om processen op kwantumschaal te automatiseren." En tenslotte, wat betreft leren, "we hebben een manier bedacht om een ​​machine een functie te leren zonder het resultaat vooraf in te voeren. Dit is iets dat de komende jaren erg handig zal zijn, en we zullen het zien, " hij zei.

Alle in het onderzoek ontwikkelde modellen waren rekenmodellen. Maar Alvarez-Rodriguez heeft duidelijk gemaakt dat een van de belangrijkste ideeën van zijn onderzoeksgroep is dat "wetenschap plaatsvindt in de echte wereld. Alles wat we doen heeft een min of meer directe toepassing. Ondanks dat het in theoretische modus is uitgevoerd, de simulaties die we hebben voorgesteld, zijn zo ontworpen dat ze in experimenten kunnen worden uitgevoerd, op verschillende soorten kwantumplatforms, zoals ingesloten ionen, supergeleidende circuits en fototonische golfgeleiders, onder andere. Om dit te doen, we hadden de medewerking van de experimentele groepen."