Correlations, Copying, na “Darwinism” katika Fizikia ya Quantum

Kutoka kwa vijidudu hadi tumboni mwa ulimwengu

Swali la kwanza lilikuwa: ni spishi ngapi tofauti zinaishi ndani au juu ya mwili wa binadamu wakati wote? Zikipangwa kutoka nyingi hadi chache, na zote zikiwa na majina.

Hakuna orodha ya mwisho kama hiyo, kwa sababu tunaendelea kugundua vijidudu vipya na kila kitu kinategemea sehemu ya mwili na mtu mwenyewe.

Muhtasari kutoka Human Microbiome Project ambao watu wengi huutumia unasema binadamu wana spishi kama 10,000 za bakteria kwa jumla, huku mtu mmoja akiwa na kama 1,000 kwa wakati mmoja.

Kisha nilitaka iwe rahisi zaidi na karibu nasi: wanyama tu wenye mfumo wa neva na kitu kama moyo, tukichagua 10 bora wanaoishi juu au ndani ya binadamu.

Hiyo inahamisha jibu kutoka kwa vijidudu na kuingia zaidi kwenye jamii ya arthropods kama utitiri, chawa, na vimelea vichache vilivyobaki.

Wakaazi wa kudumu zaidi katika kundi hilo ni Demodex mites, ambao mara nyingi huelezewa kama wakaazi wa kawaida au hata wa kudumu wa vinyweleo vyetu na tezi za mafuta.

Inayofuata ilikuwa ni nani hasa yuko juu ya mnyororo wa chakula, peke yake, na hauliwi kama sisi. Katika asili, hakuna kiumbe kikubwa kinachokwepa kuliwa mwishowe; kama si mwindaji, basi ni vimelea vinavyoozesha (decomposers).

Niliita hili "tumbo la ulimwengu," na mtazamo huo ni mkali. Kwa muda mrefu, kitu kilicho karibu zaidi na mlaji wa mwisho ni hao vimelea vinavyoozesha, vijidudu, na fangasi, ambavyo vinageuza viumbe kuwa kemia tena.

Wageni, vimondo na cheche ya kwanza

Kisha mgeni anayewezekana zaidi tutakayemkuta. Je, ni vijidudu? Na je, hiyo ni kwa sababu tu vijidudu viko kila mahali? Mtazamo makini unasema ugunduzi wa kwanza labda utakuwa maisha ya vijidudu au biosignatures, kwa sababu vijidudu ni wagumu na kwa sababu alama za kikemia na maumbo ni rahisi kugundua kuliko viumbe hai tata.

Vifaa vya astrobiology vya NASA vinasema moja kwa moja, biosignature ni kielelezo chochote kinachoweza kuwa ushahidi wa maisha sasa au wakati uliopita.

Pia niliuliza kama tukio moja, kama kimondo cha Murchison kilicholeta amino asidi na vitu vingine vya kikaboni, kinaweza kuwa ndicho wakati mkubwa. Vimondo kama Murchison ni ushahidi mkubwa kwamba vitu vya kikaboni, na amino asidi pia, vilitoka angani, na uchambuzi wa isotope unapingana na wazo la kuwa ni uchafu wa kawaida tu kutoka Duniani.

Lakini kuleta viambato si sawa na kuanzisha maisha ya Darwin.

Sikukubali jibu la hovyo la "mabilioni ya miaka iliyopita"; nilitaka cheche mahususi. Kwa mujibu wa mageuzi, hatua ndogo zaidi kutoka kemia kwenda mageuzi ni hii:

Mfumo wa kujinakilisha wenye kurithi na kubadilika, wenye uwezo wa kupitia mageuzi ya Darwin, mara nyingi unaofikiriwa kama replicator ya RNA ndani ya sehemu (protocell).

Hapo ndipo taarifa inapokuwa mchakato katika idadi ya watu na siyo tu mpangilio wa kikemia unaotokea mara moja. Hatua kubwa ya baadaye kuelekea utata wa kiwango cha binadamu mara nyingi hufafanuliwa kama eukaryogenesis na mitochondria, kuruka kwa nishati na jinsi seli zinavyoweza kuwa tata, lakini sehemu hiyo ya mazungumzo yetu ilikuwa wazo zaidi kuliko kitu tulichokitegemeza kwa vyanzo.

Ulinganisho wangu na fizikia

Pendekezo langu hasa lilikuwa ulinganisho. Katika fizikia maada inabadilika (fusion na fission), mnyororo wa athari unatawanyika, na mifumo mikubwa inapambana kufikia usawa, kama hewa ya moto na baridi ikichanganyika.

Labda taarifa inahifadhiwa na kupitishwa, labda hata kama taarifa ya quantum kwa umbali mrefu, kama RNA hivi.

Labda hali za quantum zinashindana na zingine zinabaki, na hiyo inaonekana kama Darwin. Na kwenda mbali zaidi, labda sehemu za ndani za black hole, upanuzi wa ulimwengu na uumbaji wa maada zimefungamana kwa njia inayozalisha mabadiliko na machafuko mbali sana.

Ili kuwa sawa na wazo hilo, lazima utenganishe mambo matatu. Kwanza ukuzaji na usawa, ambayo ni ya kawaida katika fizikia. Pili mageuzi ya Darwin, ambayo yanahitaji kunakili kutoka kiolezo pamoja na tofauti unazoweza kurithi na uteuzi.

Tatu ni uwiano wa quantum, yaani entanglement, dhidi ya uteuzi wa "quantum to classical" ambao decoherence na Quantum Darwinism zinaelezea.

Ambapo entanglement inavunja wazo hilo

Dai langu kuu lilikuwa kwamba kama A na B zimefungamana, mabadiliko ya A yanasasisha B, na kama B hayuko peke yake, B lazima aathiri kilicho karibu naye. Hapa ndipo wazo hilo linapovunjika.

Entanglement inamaanisha uwiano mkali ambao si wa kawaida katika mfumo mzima, lakini kile B anachokiona kwa karibu hakibadiliki kwa njia unayoweza kuimiliki kwa kufanya kitu tu kwenye A.

Hiyo ndiyo no-communication theorem, pia inaitwa no-signaling. Huwezi kutumia operesheni kwenye A kutuma taarifa kwa B haraka kuliko mwanga, na hali ya B iliyopunguzwa, yaani kila kitu B anachoweza kukiona kwa karibu, kinabaki vilevile kwa maana inayozingatiwa.

Jaribio la kufikiri nililomalizia nalo lilikuwa pointi ya juu na chini 50/50. Tuseme A na B wanashiriki Bell pair. Kama wote wanapima kwenye mhimili mmoja, matokeo yanalingana kikamilifu (au yanapingana).

Lakini B peke yake bado anaona juu nusu ya wakati na chini nusu ya wakati, haijalishi Alice anaamua kupima nini.

Kwa hiyo kitu chochote karibu na B kinachoitikia juu au chini kinaona mchanganyiko uleule wa ndani, mpaka baadaye kipate rekodi ya classical ya Alice.

Je, lazima ubadilishe pande zote mbili kwa wakati mmoja? Hapana. Ili kuonyesha entanglement unapima pande zote mbili na kuangalia uwiano. Katika majaribio makali, settings huchaguliwa zenyewe na haraka, ili uratibu wa classical usijipenyeze.

Hiyo ndiyo mantiki nyuma ya majaribio ya Bell na majaribio yasiyo na mianya. Njia ya kawaida ya kuthibitisha entanglement ni ukiukaji wa Bell inequality, mara nyingi CHSH. Majaribio ya Bell yasiyo na mianya na spins zilizotengwa kwenye almasi ndiyo mfano wa kawaida unaotupilia mbali mawazo ya local realist chini ya sheria kali sana.

Teleportation, qudits na spin kwenye fusion

Nilikuwa pia nikielekeza kwenye uhamishaji wa taarifa za quantum kwa umbali mrefu, niliposema taarifa inapitishwa kwa umbali. Quantum teleportation ni kesi safi.

Inahamisha utambulisho wa hali ya quantum isiyojulikana, lakini inahitaji mawasiliano ya classical, hivyo haiwezi kuwa haraka kuliko mwanga.

Niliuliza kama entanglement inahusu spin tu, 0 au 1, na kama sifa nyingine zilizofungamana zinaweza kuathiri mazingira kwa njia tofauti. Haina kikomo kwa spin au viwango viwili.

Sifa nyingi zinaweza kufungamana: polarization, njia, nishati na time-bin, orbital angular momentum, na mifumo inaweza kuwa qudits yenye viwango d au modes za continuous-variable.

Qubits zinashinda kwenye teknolojia kwa sababu ni rahisi kuunda, si kwa sababu ya kikomo fulani cha msingi.

Kisha spin kwenye nuclear fusion na fission. Je, inajali kimwili, na je, entanglement inaweza kubadilisha njia za fusion? Spin inajali kwa ndani katika njia za athari za nyuklia.

Mfano mmoja mahususi ni spin-polarized deuterium tritium fuel, ambayo inatabiriwa kuongeza D-T fusion cross section kwa takriban factor ya 1.5, yaani kama 50%, kama polarization ni bora.

Lakini huo ni athari ya spin ya ndani na si entanglement inayokupa udhibiti wa mbali.

Quantum Darwinism

Hapa ndipo kiini cha mada yangu: mchakato ambapo hali fulani hubaki, nyingine hupotea, na taarifa husambaa kwenye mazingira.

Quantum Darwinism ni nadharia, iliyojikita kwenye mfumo wa Zurek, inayoelezea jinsi ulimwengu wetu wa kawaida unavyojitokeza kutoka katika misingi ya quantum.

Mfumo huingiliana na mazingira yake. Decoherence huondoa superpositions fulani. Seti ya hali thabiti zinazopendekezwa, au pointer states, huchaguliwa kwa sababu ndizo zinazoweza kuhimili mazingira yanapozitazama.

Kisha mazingira hufanya kitu cha muhimu: yanahifadhi nakala nyingi za taarifa kuhusu hizi pointer states, ili watu wengi waweze kufikia ukweli uleule wa kawaida bila kuuvuruga mfumo wenyewe.

Unakili huo ndio sehemu ya Darwin: uteuzi (pointer states) pamoja na uzalishaji (rekodi katika mazingira). Kipimo kinachotumiwa na wanasayansi ni quantum mutual information kati ya mfumo na vipande vya mazingira.

Unapochukua vipande vikubwa zaidi vya mazingira, taarifa kuhusu pointer state hupanda haraka na kisha kufikia ukomo. Hii inamaanisha kuwa vipande vingi vidogo tayari vinakupa taarifa ileile. Ukomo huo ndio alama kuu ya Quantum Darwinism.

Kwa hiyo inafanana vipi na Darwin? Uteuzi upo kwa sababu ni hali chache tu ndizo thabiti chini ya utazamaji. Uzalishaji upo kwa sababu mazingira hutengeneza nakala nyingi za taarifa za pointer.

Na fitness hapa ni uthabiti chini ya decoherence, siyo uzazi wa viumbe. Hata hivyo, kuna tofauti kubwa na biolojia.

Darwinism katika biolojia huleta mabadiliko ya aina mbalimbali, kwa sababu kiolezo chake, yaani genome, kinaweza kusimba kazi ngumu na kunakiliwa kwa tofauti. Quantum Darwinism inahusu tu ni hali zipi zinazokuwa za kidhana na za kawaida; haijengi mashine ngumu kupitia uteuzi kwa muda.

Majaribio ya mabawa mawili

Nilichotaka mwishowe ni mifumo miwili iliyounganishwa (entangled), kila moja ikiwa na mazingira yake, ambapo entanglement inasababisha mmenyuko kama wa Darwin pande zote mbili. Njia ya kuifanya iwe halisi na kupimika ni hii.

Entanglement inajenga uhusiano wa kipekee kati ya A na B, muundo wa jumla.

Quantum Darwinism inatoa mchakato wa ndani kama wa Darwin: kila mazingira huchagua pointer states na kuzirekodi mara nyingi. Entanglement haisababishi mabadiliko ya moja kwa moja katika mazingira ya mbali; mmenyuko kama wa Darwin hutokea ndani kwa kila upande.

Lakini unaweza kuanza na entanglement na kutazama jinsi inavyogeuka kuwa rekodi za kawaida za kidhana.

Unaweza kuifanya kwenye superconducting circuits, ukiwa na qubits nyingi unazoweza kudhibiti na mazingira unayoweza kuyatengeneza, au kwenye photonics, ambayo inakupa mifumo iliyosambazwa na vipande vya mazingira ya asili kupitia photon zilizotawanyika.

Superconducting circuits zinavutia kwa sababu alama kamili za Quantum Darwinism zilionyeshwa huko kwenye karatasi ya hivi karibuni ya Science Advances. Itifaki ya mabawa mawili ingekuwa hivi:

Hatua ya 0 ni kuandaa entanglement: unaweka qubits mbili za mfumo A na B katika hali ya Bell.

Hatua ya 1 ni kuangalia entanglement kabla ya Darwinism yoyote: unafanya jaribio la CHSH Bell (au state tomography) kwa uhusiano huo, kwa mantiki ileile ya majaribio yasiyo na mianya, hata kama usanidi wa maabara labda si wa kutenganishwa kijiografia.

Hatua ya 2 ni kuambatanisha mazingira: unaunganisha A na mazingira $E_A$ (rejista ya ancilla qubits au aina za fotoni), na B na mazingira tofauti $E_B$.

Hatua ya 3 ni kujenga unakili kwenye mazingira: unafanya hatua zilizodhibitiwa zinazochapisha thamani ya pointer-basis ya A kwenye ancillas kadhaa katika $E_A$, na vivyo hivyo kwa B katika $E_B$. Huo ndio uzalishaji: vipande vingi vya mazingira hubeba rekodi ileile.

Hatua ya 4 inaonyesha alama ya Darwinism kwa ndani: kwa kila upande, unahesabu mutual information kati ya mfumo na vipande vya mazingira kulingana na ukubwa wa kipande, na unatafuta kupanda kwa kasi kisha ukomo.

Hatua ya 5 inaonyesha uteuzi: unaifanya tena mfumo ukiwa katika superposition ya hali zisizo za pointer na kuonyesha kuwa mazingira hayarekodi taarifa hiyo mara nyingi, bali inafutwa na decoherence. Hiyo inaonyesha mazingira huchagua pointer basis.

Hatua ya 6 inaonyesha hatua kutoka entanglement kwenda kwenye hali ya kawaida: unafuatilia jinsi entanglement ya kuanzia ya A-B inavyoshuka huku rekodi za ndani zikiongezeka, na jinsi uhusiano wa kawaida kati ya rekodi katika $E_A$ na $E_B$ unavyokuwa ukweli unaoweza kuufikia.

Hii ingethibitisha entanglement mwanzoni, redundancy ya ndani kama ya Darwin, na hatua iliyodhibitiwa kutoka uhusiano wa kipekee kwenda kwenye rekodi za kidhana. Hii haingethibitisha ushawishi wowote wa haraka kuliko mwanga, kwani no-signaling inakataza hilo.

Ni ya kweli kiasi gani

Sehemu fulani ni salama kabisa kwa sababu tayari zimefanywa kwa namna fulani. Ukiukaji wa Bell na kuangalia entanglement ni kawaida na kuna mifano isiyo na mianya.

Alama za Quantum Darwinism, nakala nyingi za rekodi na muundo wa matawi ambapo ulimwengu wa kawaida hujitokeza, zilionyeshwa katika superconducting circuits kwenye Science Advances mwaka 2025.

Sehemu mpya ni mchanganyiko huu. Anza na entanglement ya A-B, kisha jenga mazingira mawili tofauti yaliyojaa rekodi zilizokopiwa ($E_A$ na $E_B$), na chora ramani ya jinsi entanglement inavyogeuka kuwa rekodi za kidhana.

Hiyo ni rahisi kama wazo lakini ni nzito kama jaribio, kwa sababu unahitaji qubits na modes zaidi, ufundi wa hali ya juu na utunzaji makini wa rekodi za taarifa zipi zinapatikana mara nyingi na zipi hubaki za quantum.

Viungo vipo, na jaribio la pamoja ni hatua inayofuata inayoaminika na si hadithi za kisayansi.

Ninachojifunza hapa

Ninachojifunza hapa ni rahisi. Entanglement ni muundo wa uhusiano, si waya wa udhibiti wa mbali. Jinsi B inavyoathiri mazingira yake imewekwa na kile B inacho ndani, na A haiwezi kubadilisha hilo kwa njia iliyodhibitiwa bila mawasiliano ya kawaida.

Wazo langu la Darwin linafaa zaidi si kwenye entanglement yenyewe bali kwenye decoherence pamoja na nakala nyingi za rekodi, na hicho ndicho hasa ambacho Quantum Darwinism inakielezea na kukipima.

Kama unataka jaribio la kufikirika la quantum kama la Darwin, picha sahihi ni mazingira kuchagua pointer states pamoja na kurudufu rekodi. Jaribio sahihi ni kupima ukomo wa mutual information, pamoja na kufuatilia jinsi entanglement inavyoshuka na uhusiano wa kawaida wa kidhana unavyopanda.

Na spin inaweza kubadilisha sana viwango vya mmenyuko wa nyuklia, kama kwenye polarized fusion, lakini hiyo siyo kisababishi cha mbali kupitia entanglement.