Study of entanglement via a multi-agent dynamical quantum game

In der weiten Landschaft der modernen Physik stechen zwei Ideen hervor, die fähig sind, unsere alltägliche Intuition zu erschüttern: Verschränkung und Nichtlokalität. Verschränkung beschreibt eine seltsame Verbindung, bei der zwei Teilchen so tief miteinander verknüpft werden, dass die Messung des einen augenblicklich den Zustand des anderen offenbart, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Die Nichtlokalität geht noch einen Schritt weiter und legt nahe, dass diese Teilchen einander auf eine Weise beeinflussen, die nicht durch irgendein Signal erklärt werden kann, das sich mit Lichtgeschwindigkeit zwischen ihnen bewegt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler diese Phänomene im Bereich der subatomaren Teilchen untersucht und sie oft dazu genutzt, die Grundlagen der Realität selbst zu testen. Kürzlich haben Forscher begonnen, sich die Frage zu stellen, ob diese Quanten-Eigenheiten mehr tun könnten, als nur einen Punkt zu beweisen; könnten sie tatsächlich die Art und Weise verändern, wie Lebewesen agieren? Diese Frage schlägt die Brücke zwischen der mikroskopischen Welt der Quantenmechanik und der makroskopischen Welt der Ökologie und fragt, ob die Regeln des sehr Kleinen die Regeln des Überlebens von Populationen von Tieren, Pflanzen oder Mikroben umschreiben könnten.

Ein Forschungsteam hat diese Möglichkeit nun untersucht, indem es ein theoretisches Modell konstruierte, in dem der Kampf ums Überleben durch die Regeln eines Quantenspiels gesteuert wird. Anstatt echte Tiere in einem Wald zu untersuchen, erschufen sie eine digitale Simulation, die zwei Arten von digitalen Entitäten beinhaltete: Zellen und Viren. In diesem Modell fungieren die Viren als Räuber und die Zellen als Beute. Die Forscher entwarfen ein Szenario, in dem jedes Mal, wenn ein Virus auf eine Zelle trifft, sie einen mikroskopischen Wettkampf austragen, um das Ergebnis zu entscheiden. In einer standardmäßigen, klassischen Version dieses Wettkampfs würde das Ergebnis von einfachen, vorbestimmten Entscheidungen abhängen, ähnlich wie beim Werfen einer Münze. Die Forscher führten jedoch eine Wendung ein: Sie erlaubten den Viren und Zellen, vor ihrem Zusammentreffen eine Quantenverbindung oder Verschränkung zu teilen. Diese Verbindung bedeutete, dass ihre Entscheidungen nicht unabhängig waren, sondern stattdessen auf eine Weise verknüpft waren, die der klassischen Logik trotzt und Korrelationen ermöglicht, die stärker sind als alles, was in der alltäglichen Welt möglich ist.

Die Forscher fanden heraus, dass die Stärke dieser Quantenverbindung einen dramatischen und manchmal überraschenden Effekt auf das langfristige Überleben der Populationen hatte. Sie entdeckten ein Phänomen, das sie „Monogamie des Überlebens“ nennen. In der Quantenwelt gibt es eine strikte Regel, dass ein Teilchen nicht gleichzeitig voll verschränkt mit zwei verschiedenen Partnern sein kann; wenn es stark mit einem verbunden ist, muss es schwach mit dem anderen verbunden sein. Die Forscher zeigten, dass sich diese Regel direkt in das Schicksal der Populationen übersetzt. Wenn die Viren in der Lage waren, ihre Quantenverbindung zu nutzen, um perfekt mit den Zellen zu koordinieren, erlangten sie einen signifikanten Vorteil. Da es jedoch aufgrund der „Monogamie“-Regel geschah, dass, wenn eine Gruppe von Viren diese starke Quantenkoordination nutzte, eine andere Gruppe von Viren, die um dieselben Zellen konkurrierte, in einen Zustand schwacher Koordination gezwungen wurde, war dieses Ungleichgewicht tödlich. Die Viren, die es versäumten, eine starke Quantenverbindung zu den Zellen aufrechtzuerhalten, wurden in die Ausrottung getrieben, während die Zellen und die gut vernetzten Viren überlebten.

Um zu verstehen, wie dies funktioniert, stellen Sie sich die Viren und Zellen als Spieler in einem Spiel vor, bei dem sie versuchen müssen, die Züge des jeweils anderen zu erraten. In einer klassischen Welt können sie nur basierend auf ihren eigenen Informationen raten. In der Quantenwelt zeigten die Forscher, dass die Viren eine verborgene Verbindung teilen konnten, die es ihnen ermöglichte, die Züge des jeweils anderen mit einer Erfolgsrate zu erraten, die in der klassischen Welt mathematisch unmöglich ist. Diese höhere Erfolgsrate übersetzte sich in einen höheren „Ertrag“ für die Viren, was bedeutete, dass sie sich effektiver fortpflanzten. Die Forscher führten tausende Simulationen durch, um zu sehen, wie sich diese Populationen im Laufe der Zeit veränderten. Sie fanden heraus, dass, wenn die Viren den maximal möglichen Quantenvorteil nutzten, das System instabil wurde, was zur Ausrottung der homogenen Virusart führte, während eine herausragende Virusart überlebte. Umgekehrt, wenn die Viren ihre Quantenverbindung gleichmäßig unter vielen verschiedenen Gruppen teilten, blieb das System stabil und alle Arten koexistierten nur dann, wenn die Anzahl der Arten gering war; falls jedoch zu viele Virusarten versuchten, dieselbe Quantenverbindung gleichermaßen zu teilen, brach das System zusammen und trieb alle in die Ausrottung.

Die Studie untersuchte auch die mathematischen Grundlagen dieser Dynamiken unter Verwendung eines Rahmens, der als Lotka-Volterra-Gleichungen bekannt ist – Standardwerkzeuge zur Modellierung von Räuber-Beute-Beziehungen in der Ökologie. Indem sie die standardmäßigen Interaktionsparameter durch Werte ersetzten, die aus der Quantenmechanik abgeleitet wurden, konnten die Forscher genau vorhersagen, wann eine Population wächst oder schrumpft. Sie fanden heraus, dass die Stabilität des gesamten Ökosystems von einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen der Anzahl der Virusarten und der Stärke ihrer Quantenkorrelationen abhing. Wenn es zu viele Virusarten gab, die alle dieselbe Quantenverbindung teilen wollten, brach das System zusammen und trieb alle in die Ausrottung. Aber wenn die Anzahl der Arten gering war oder wenn die Quantenverbindungen auf eine bestimmte Weise verteilt waren, konnten die Populationen überleben und sogar gedeihen.

Diese Arbeit legt nahe, dass die seltsamen Regeln der Quantenmechanik nicht nur abstrakte Kuriositäten sind, sondern theoretisch das Aufsteigen und Fallen ganzer biologischer Gemeinschaften diktieren könnten. Die Forscher behaupteten nicht, ein echtes Ökosystem aus Quantenviren gebaut zu haben, aber ihre Simulationen liefern einen klaren Proof-of-Concept. Sie zeigten, dass, wenn die Natur Quantenverschränkung in den Interaktionen zwischen Arten nutzen würde, der Ausgang der Evolution grundlegend anders wäre als das, was wir in der klassischen Welt sehen. Die Studie hebt eine neue Art des Wettbewerbs hervor, bei dem die Fähigkeit, Quantenkorrelationen zu nutzen, zu einer Frage von Leben und Tod wird. Sie öffnet die Tür für zukünftige Untersuchungen darüber, wie Quanteneffekte reale biologische Prozesse beeinflussen könnten, vom Ausbreiten von Krankheiten bis hin zur Stabilität komplexer Ökosysteme, und deutet darauf hin, dass die Quantenwelt vielleicht enger in das Gefüge des Lebens verwoben ist, als man es sich bisher vorstellen konnte.