Kvantbiomimetik består av att i kvantsystem återskapa vissa egenskaper exklusiva för levande organismer. Forskare vid Baskiska universitetet har imiterat naturligt urval, lärande och minne i en ny studie. De mekanismer som utvecklats kan ge kvantberäkning ett uppsving och underlätta inlärningsprocessen i maskiner.
Unai Alvarez-Rodriguez är forskare i forskargruppen Quantum Technologies for Information Science (QUTIS) knuten till UPV/EHU:s avdelning för fysisk kemi, och en expert på kvantinformationsteknik. Kvantinformationsteknologi använder kvantfenomen för att koda beräkningsuppgifter. Till skillnad från klassisk beräkning, kvantberäkning "har fördelen av att inte vara begränsad till att producera register i värden noll och ett, sa han. Qubits, motsvarande bitar i klassisk beräkning, kan ta värden på noll, en eller båda samtidigt, ett fenomen som kallas superposition, som "ger kvantsystem möjligheten att utföra mycket mer komplexa operationer, upprätta en beräkningsparallell på kvantnivå, och erbjuder bättre resultat än klassiska beräkningssystem, " han lade till.
Forskargruppen som Alvarez-Rodriguez tillhör bestämde sig för att fokusera på att imitera biologiska processer. "Vi tyckte att det skulle vara intressant att skapa system som kan emulera vissa egenskaper exklusive levande enheter. Med andra ord, vi försökte utforma kvantinformationsprotokoll vars dynamik var analog med dessa egenskaper. "De processer de valde att imitera med hjälp av kvantsimulatorer var naturligt urval, minne och intelligens. Detta fick dem att utveckla begreppet kvantbiomimetik.
De återskapade en naturlig urvalsmiljö där det fanns individer, replikering, mutation, interaktion med andra individer och miljön, och en stat som motsvarar döden. "Vi utvecklade denna sista mekanism för att individerna skulle ha en ändlig livstid, "sa forskaren. Så genom att kombinera alla dessa element, systemet har ingen enda tydlig lösning:"Vi närmade oss den naturliga urvalsmodellen som en tvist mellan olika strategier där varje individ skulle vara en strategi för att lösa problemet, lösningen skulle vara strategin som kan dominera det tillgängliga utrymmet. "
Mekanismen för att simulera minne, å andra sidan, består av ett system som styrs av ekvationer. Men ekvationer visar ett beroende av deras tidigare och framtida tillstånd, så hur systemet förändras "beror inte bara på dess tillstånd just nu, men om tillståndet för fem minuter sedan, och var det kommer att vara om fem minuter, "förklarade Alvarez-Rodriguez.
Till sist, i kvantalgoritmerna relaterade till inlärningsprocesser, de utvecklade mekanismer för att optimera väldefinierade uppgifter, för att förbättra klassiska algoritmer, och för att förbättra felmarginalerna och driftsäkerheten. "Vi lyckades koda en funktion i ett kvantsystem men inte att skriva det direkt; systemet gjorde det självständigt, vi skulle kunna säga att det ”lärt sig” med hjälp av den mekanism vi utformade så att det skulle hända. Det är en av de mest nya framstegen i denna forskning, " han sa.
Från beräkningsmodeller till den verkliga världen
Alla dessa metoder och protokoll som utvecklats i hans forskning har gett medel för att lösa alla typer av system. Alvarez-Rodriguez säger att minnesmetoden kan användas för att lösa mycket komplexa system:"Den kan användas för att studera kvantsystem i olika omgivningsförhållanden, eller på olika skalor i en mer tillgänglig, mer kostnadseffektivt sätt. "
När det gäller naturligt urval, "mer än någonting har vi kommit fram till en kvantmekanism på vilken självreplikerande system kan baseras och som kan användas för att automatisera processer i kvantskala." Och slutligen, när det gäller lärande, "vi har kommit på ett sätt att lära en maskin en funktion utan att behöva infoga resultatet i förväg. Detta är något som kommer att vara mycket användbart under de kommande åren, och vi får se det, " han sa.
Alla modeller som utvecklats i forskningen var beräkningsmodeller. Men Alvarez-Rodriguez har gjort det klart att en av huvudidéerna i hans forskargrupp är att "vetenskapen äger rum i den verkliga världen. Allt vi gör har en mer eller mindre direkt tillämpning. Trots att det har genomförts i teoretiskt läge, de simuleringar vi har föreslagit är utformade så att de kan utföras i experiment, på olika typer av kvantplattformar, såsom instängda joner, supraledande kretsar och fototoniska vågledare, bland andra. Att göra detta, vi hade samarbetspartner mellan experimentgrupperna. "
