Ένας σημαντικός κβαντικός αλγόριθμος μπορεί στην πραγματικότητα να είναι ιδιοκτησία της φύσης!

Τα στοιχεία ότι οι κβαντικές αναζητήσεις είναι ένα συνηθισμένο χαρακτηριστικό γνώρισμα της ηλεκτρονικής συμπεριφοράς μπορούν να εξηγήσουν τον γενετικό κώδικα, έναν από τους μεγαλύτερους παζλ στην βιολογία.

Πίσω το 1996, ένας κβαντικός φυσικός στο Bell Labs στο New Jersey δημοσίευσε μια νέα συνταγή για την αναζήτηση μέσω μιας βάσης δεδομένων των καταχωρήσεων Ν. Οι επιστήμονες υπολογιστών γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι αυτή η διαδικασία παίρνει περίπου N βήματα, διότι στη χειρότερη περίπτωση το τελευταίο στοιχείο του καταλόγου μπορεί να είναι το ενδιαφέρον.

Ωστόσο, αυτός ο φυσικός, Lov Grover, έδειξε πώς οι περίεργοι κανόνες της κβαντικής μηχανικής επέτρεψαν την αναζήτηση να γίνει σε διάφορα στάδια ίσα με την τετραγωνική ρίζα του N.

Αυτό ήταν μια μεγάλη υπόθεση. Η αναζήτηση βάσεων δεδομένων είναι ένα θεμελιώδες καθήκον στην επιστήμη των υπολογιστών, το οποίο χρησιμοποιείται για όλα, από την εύρεση αριθμών τηλεφώνου έως τη σπάσιμο κρυπτογραφικών κωδίκων. Επομένως κάθε επιτάχυνση είναι μια σημαντική πρόοδος.

Η κβαντομηχανική προσέφερε μια πρόσθετη συστροφή. Την εποχή εκείνη, η συνταγή του Grover ήταν μόνο ο δεύτερος κβαντικός αλγόριθμος που είχε αποδειχθεί γρηγορότερα από το κλασικό του αντίστοιχο. (Ο πρώτος ήταν ο αλγόριθμος του Peter Shor για factoring αριθμών, τον οποίο ανακάλυψε το 1994.) Το έργο του Grover ήταν ένας σημαντικός παράγοντας για την προετοιμασία του δρόμου για την επανάσταση της κβαντικής πληροφορικής που συνεχίζεται σήμερα.

Αλλά παρά το ενδιαφέρον, η εφαρμογή του αλγόριθμου του Grover έχει πάρει χρόνο λόγω των σημαντικών τεχνικών προκλήσεων. Ο πρώτος κβαντικός υπολογιστής ικανός να το υλοποιήσει εμφανίστηκε το 1998, αλλά η πρώτη επεκτάσιμη έκδοση δεν εμφανίστηκε μέχρι το 2017, και ακόμη και τότε λειτούργησε μόνο με τρεις qubits. Έτσι, οι νέοι τρόποι για την εφαρμογή του αλγορίθμου χρειάζονται απεγνωσμένα.

Σήμερα, ο Stéphane Guillet και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Τουλόν στη Γαλλία λένε ότι αυτό μπορεί να είναι ευκολότερο από ό, τι περίμενε κανείς. Λένε ότι έχουν αποδείξεις ότι ο αλγόριθμος αναζήτησης του Grover είναι φυσικό φαινόμενο. “Προσφέρουμε την πρώτη απόδειξη ότι κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, τα ηλεκτρόνια μπορεί φυσικά να συμπεριφέρονται σαν αναζήτηση Grover, αναζητώντας ελαττώματα σε ένα υλικό”, λένε.

Αυτό έχει προφανείς επιπτώσεις για τον κβαντικό υπολογισμό, αλλά η πραγματική του εισαγωγή μπορεί να είναι πολύ πιο βαθιά. Για κάποιο χρονικό διάστημα, οι θεωρητικοί έχουν συζητήσει εάν η κβαντική αναζήτηση θα μπορούσε να εξηγήσει ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια σχετικά με την προέλευση της ζωής. Η ιδέα ότι οι αναζητήσεις του Grover συμβαίνουν στη φύση θα μπορούσε τελικά να λύσει το αίνιγμα.

Πρώτο φόντο. Επειδή είναι τόσο θεμελιώδης, ο αλγόριθμος αναζήτησης του Grover μπορεί να αναδιατυπωθεί με διάφορους τρόπους. Ένα από αυτά είναι ένα κβαντικό περίπατο σε μια επιφάνεια – ο τρόπος με τον οποίο ένα κβαντικό σωματίδιο θα κινηθεί τυχαία από το ένα σημείο στο άλλο.

Σαφώς, αυτή η διαδικασία είναι ένα είδος αναζήτησης του δισδιάστατου χώρου. Αλλά επειδή ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί να εξερευνήσει πολλά μονοπάτια την ίδια στιγμή, είναι πολύ πιο γρήγορα από μια κλασική αναζήτηση.

Η φύση της επιφάνειας έχει σημαντική επίδραση στην αναζήτηση. Για παράδειγμα, ένας τύπος επιφάνειας αποτελείται από ένα τετράγωνο πλέγμα όπου το κβαντικό σωματίδιο έχει τέσσερις πιθανές κινήσεις σε κάθε κορυφή.

Υπάρχουν όμως και πολλά άλλα πιθανά δίκτυα. ένα τριγωνικό, για παράδειγμα, όπου το κβαντικό σωματίδιο έχει τρεις επιλογές σε κάθε κορυφή. “Το τριγωνικό πλέγμα παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον εξαιτίας της ομοιότητάς του με αρκετά φυσικά κρυσταλλικά υλικά”, λέει ο Guillet και συνεργάτης.

Η ομάδα εστίασε στην προσομοίωση του τρόπου με τον οποίο μια αναζήτηση Grover λειτουργεί για ηλεκτρόνια που διερευνούν τριγωνικά και τετράγωνα πλέγματα, αλλά συμπεριέλαβαν και άλλα φυσικά ρεαλιστικά αποτελέσματα, όπως ελαττώματα στο πλέγμα υπό μορφή οπών και κβαντικές ιδιότητες όπως παρεμβολές.

Τα αποτελέσματα είναι άνοιγμα των ματιών. Το ερώτημα που θέτουν είναι πόσο γρήγορα ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρει την τρύπα σε ένα πλέγμα. Και η μεγάλη ανακάλυψη της ομάδας είναι να δείξει ότι αυτές οι προσομοιώσεις αναπαράγουν τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα πραγματικά ηλεκτρόνια σε πραγματικά υλικά.

Με άλλα λόγια, αυτό είναι ένδειξη ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εφαρμόζουν φυσικά τον αλγόριθμο αναζήτησης Grover όταν κινούνται στην επιφάνεια ορισμένων κρυστάλλων.

Αυτό έχει άμεσες επιπτώσεις για τον κβαντικό υπολογισμό. “[Η εργασία αυτή] μπορεί να είναι ο δρόμος προς ένα σοβαρό τεχνολογικό άλμα, όπου ο πειραματιστής θα παρακάμψει την ανάγκη για έναν ολοκληρωμένο κλιμακωτό και διορθωτικό σφαλμάτων κβαντικό υπολογιστή και θα κάνει τη συντόμευση αναζήτησης” φυσικών εμφανίσεων “της αναζήτησης Grover , “Λένε η ομάδα.

Το έργο έχει επίσης επιπτώσεις στην σκέψη μας για τον γενετικό κώδικα και την προέλευση της ζωής. Κάθε ζωντανό πλάσμα στη Γη χρησιμοποιεί τον ίδιο κώδικα, στον οποίο το DNA αποθηκεύει πληροφορίες χρησιμοποιώντας τέσσερις βάσεις νουκλεοτιδίων. Οι αλληλουχίες νουκλεοτιδίων κωδικοποιούν πληροφορίες για την κατασκευή πρωτεϊνών από αλφάβητο 20 αμινοξέων.

Αλλά γιατί αυτοί οι αριθμοί-τέσσερις και 20-και όχι κάποιοι άλλοι; Πίσω το 2000, μόλις λίγα χρόνια μετά την δημοσίευση του έργου του από τον Grover, ο Apoorva Patel στο Ινδικό Ινστιτούτο Επιστήμης στη Μπανγκαλόρ έδειξε πώς ο αλγόριθμος του Grover μπορούσε να εξηγήσει αυτούς τους αριθμούς.

Η ιδέα του Patel σχετίζεται με τον τρόπο συναρμολόγησης του DNA μέσα στα κύτταρα. Σε αυτή την περίπτωση, ο μοριακός μηχανισμός μέσα σε ένα κύτταρο πρέπει να ψάξει μέσα από τη μοριακή σούπα των νουκλεοτιδικών βάσεων για να βρει το σωστό. Εάν υπάρχουν τέσσερις επιλογές, μια κλασική αναζήτηση διαρκεί τέσσερα βήματα κατά μέσο όρο. Έτσι, τα μηχανήματα θα έπρεπε να δοκιμάσουν τέσσερις διαφορετικές βάσεις κατά τη διάρκεια κάθε βήματος συναρμολόγησης.

Αλλά μια κβαντική αναζήτηση χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο του Grover είναι πολύ πιο γρήγορη: ο Patel έδειξε ότι όταν υπάρχουν τέσσερις επιλογές, μια κβαντική αναζήτηση μπορεί να κάνει διάκριση μεταξύ τεσσάρων εναλλακτικών σε ένα μόνο βήμα. Πράγματι, τέσσερις είναι ο βέλτιστος αριθμός.

Αυτή η σκέψη εξηγεί επίσης γιατί υπάρχουν 20 αμινοξέα. Στο DNA, κάθε ομάδα τριών νουκλεοτιδίων ορίζει ένα μόνο αμινοξύ. Έτσι, η αλληλουχία των τριπλών στο DNA ορίζει την αλληλουχία των αμινοξέων σε μια πρωτεΐνη.

Αλλά κατά τη διάρκεια της συναρμολόγησης πρωτεϊνών, κάθε αμινοξύ πρέπει να επιλέγεται από μια σούπα 20 διαφορετικών επιλογών. Ο αλγόριθμος του Grover εξηγεί αυτούς τους αριθμούς: μια κβαντική αναζήτηση τριών σταδίων μπορεί να βρει ένα αντικείμενο σε μια βάση δεδομένων που περιέχει μέχρι και 20 είδη εισόδου. Και πάλι, 20 είναι ο βέλτιστος αριθμός.

Με άλλα λόγια, εάν οι διεργασίες αναζήτησης που σχετίζονται με τη συναρμολόγηση του DNA και των πρωτεϊνών πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικές, ο αριθμός των βάσεων θα πρέπει να είναι τέσσερις και ο αριθμός των αμινοξέων θα πρέπει να είναι 20 – ακριβώς όπως βρίσκεται. Η μόνη προειδοποίηση είναι ότι οι αναζητήσεις πρέπει να έχουν κβαντικό χαρακτήρα.

Όταν ο Patel δημοσίευσε την ιδέα του, οι κβαντοί φυσικοί αμέσως το έβαλαν. Την εποχή εκείνη, ήταν παγιδευμένοι στις προσπάθειές τους να ελέγξουν κβαντικές διεργασίες, τις οποίες θα μπορούσαν να κάνουν μόνο με την απομόνωση κβαντικών σωματιδίων σε ακραία περιβάλλοντα, όπως σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Το προφανές πρόβλημα, ανέφεραν, ήταν ότι τα ζωντανά πράγματα λειτουργούν σε ένα ζεστό, βρώμικο περιβάλλον στο οποίο οι κβαντικές καταστάσεις θα καταστραφούν αμέσως.

Οι βιολόγοι ήταν εξίσου αποτρεπτικοί λέγοντας ότι οι κβαντικές διαδικασίες δεν θα μπορούσαν ενδεχομένως να δουλέψουν μέσα στα ζωντανά πράγματα.

Από τότε, έχει προκύψει όλο και περισσότερες ενδείξεις ότι οι κβαντικές διαδικασίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο σε διάφορους βιολογικούς μηχανισμούς. Η φωτοσύνθεση, για παράδειγμα, θεωρείται τώρα ως μια ουσιαστικά κβαντική διαδικασία.

Το έργο του Guillet και του Co ρίχνει μια νέα προοπτική σε όλα αυτά. Προτείνει ότι ο αλγόριθμος του Grover δεν είναι εφικτός μόνο σε ορισμένα υλικά. φαίνεται να είναι ιδιοκτησία της φύσης. Και αν αυτό είναι αλήθεια, τότε οι αντιρρήσεις για τις ιδέες του Patel αρχίζουν να θρυμματίζονται.

Μπορεί να είναι ότι η ζωή είναι απλώς ένα παράδειγμα της κβαντικής αναζήτησης του Grover στην εργασία και ότι αυτός ο αλγόριθμος είναι ο ίδιος θεμελιώδης ιδιότητα της φύσης. Αυτή είναι μια μεγάλη ιδέα αν υπήρχε ποτέ κάτι τέτοιο.

Πατήστε εδώ για να συνεχίσετε

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here