A biomimética quântica consiste em reproduzir em sistemas quânticos certas propriedades exclusivas dos organismos vivos. Pesquisadores da Universidade do País Basco imitaram a seleção natural, aprendizagem e memória em um novo estudo. Os mecanismos desenvolvidos podem dar um impulso à computação quântica e facilitar o processo de aprendizagem em máquinas.

Unai Alvarez-Rodriguez é pesquisador do grupo de pesquisa Quantum Technologies for Information Science (QUTIS) vinculado ao Departamento de Físico-Química da UPV / EHU, e especialista em tecnologias de informação quântica. A tecnologia da informação quântica usa fenômenos quânticos para codificar tarefas computacionais. Ao contrário da computação clássica, computação quântica "tem a vantagem de não se limitar a produzir registros em valores de zero e um, "disse ele. Qubits, o equivalente a bits na computação clássica, pode assumir valores de zero, um ou ambos ao mesmo tempo, um fenômeno conhecido como superposição, que "dá aos sistemas quânticos a possibilidade de realizar operações muito mais complexas, estabelecendo um paralelo computacional em um nível quântico, e oferecendo melhores resultados do que os sistemas de computação clássicos, " ele adicionou.

O grupo de pesquisa ao qual Alvarez-Rodriguez pertence decidiu se concentrar na imitação de processos biológicos. “Achamos que seria interessante criar sistemas capazes de emular certas propriedades exclusivas de entidades vivas. Em outras palavras, buscávamos projetar protocolos de informação quântica cuja dinâmica fosse análoga a essas propriedades. "Os processos que eles escolheram imitar por meio de simuladores quânticos foram a seleção natural, memória e inteligência. Isso os levou a desenvolver o conceito de biomimética quântica.

Eles recriaram um ambiente de seleção natural no qual havia indivíduos, replicação, mutação, interação com outras pessoas e o meio ambiente, e um estado equivalente à morte. “Desenvolvemos este mecanismo final para que os indivíduos tivessem uma vida útil finita, "disse o pesquisador. Assim, combinando todos esses elementos, o sistema não tem uma solução única e clara:"Abordamos o modelo de seleção natural como uma disputa entre diferentes estratégias em que cada indivíduo seria uma estratégia para resolver o problema, a solução seria a estratégia capaz de dominar o espaço disponível. "

O mecanismo para simular a memória, por outro lado, consiste em um sistema governado por equações. Mas as equações mostram uma dependência de seus estados anteriores e futuros, portanto, a maneira como o sistema muda "não depende apenas de seu estado agora, mas em seu estado cinco minutos atrás, e onde estará em cinco minutos, "explicou Alvarez-Rodriguez.

Finalmente, nos algoritmos quânticos relativos aos processos de aprendizagem, eles desenvolveram mecanismos para otimizar tarefas bem definidas, para melhorar algoritmos clássicos, e para melhorar as margens de erro e confiabilidade das operações. "Conseguimos codificar uma função em um sistema quântico, mas não escrevê-la diretamente; o sistema o fez de forma autônoma, poderíamos dizer que ele "aprendeu" por meio do mecanismo que projetamos para que acontecesse. Esse é um dos avanços mais inovadores nesta pesquisa, " ele disse.

De modelos computacionais ao mundo real

Todos esses métodos e protocolos desenvolvidos em sua pesquisa forneceram os meios para resolver todos os tipos de sistemas. Alvarez-Rodriguez afirma que o método da memória pode ser usado para resolver sistemas altamente complexos:"Poderia ser usado para estudar sistemas quânticos em diferentes condições ambientais, ou em escalas diferentes de uma forma mais acessível, maneira mais econômica. "

Com relação à seleção natural, "Mais do que tudo, criamos um mecanismo quântico no qual sistemas auto-replicantes poderiam ser baseados e que poderiam ser usados ​​para automatizar processos em escala quântica." E finalmente, no que diz respeito à aprendizagem, "descobrimos uma forma de ensinar uma função a uma máquina sem ter que inserir o resultado de antemão. Isso é algo que será muito útil nos próximos anos, e vamos ver isso, " ele disse.

Todos os modelos desenvolvidos na pesquisa foram modelos computacionais. Mas Alvarez-Rodriguez deixou claro que uma das principais ideias de seu grupo de pesquisa é que "a ciência se dá no mundo real. Tudo o que fazemos tem uma aplicação mais ou menos direta. Apesar de ter sido conduzido de modo teórico, as simulações que propomos são projetadas de forma que possam ser realizadas em experimentos, em diferentes tipos de plataformas quânticas, como íons presos, circuitos supercondutores e guias de ondas fototônicas, entre outros. Para fazer isso, tivemos a colaboração dos grupos experimentais. "