Study of entanglement via a multi-agent dynamical quantum game

In het uitgestrekte landschap van de moderne natuurkunde springen twee ideeën eruit vanwege hun vermogen om onze alledaagse intuïtie onderuit te halen: verstrengeling en non-lokaliteit. Verstrengeling beschrijft een vreemde verbinding waarbij twee deeltjes zo diep met elkaar verbonden raken dat het meten van het ene deeltje onmiddellijk de staat van het andere onthult, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Non-lokaliteit gaat nog een stap verder door te suggereren dat deze deeltjes elkaar op manieren beïnvloeden die niet kunnen worden verklaard door een signaal dat zich met de snelheid van het licht tussen hen voortbeweegt. Decennialang hebben wetenschappers deze verschijnselen bestudeerd in het domein van subatomaire deeltjes, waarbij ze ze vaak gebruikten om de fundamenten van de werkelijkheid zelf te testen. Recentelijk zijn onderzoekers begonnen zich af te vragen of deze kwantumvreemdheden meer kunnen doen dan alleen een punt bewijzen; zouden ze daadwerkelijk het gedrag van levende wezens kunnen veranderen? Deze vraag overbrugt de kloof tussen de microscopische wereld van de kwantummechanica en de macroscopische wereld van de ecologie, door te vragen of de regels van het zeer kleine de regels van overleving voor populaties dieren, planten of microben zouden kunnen herschrijven.

Een team van onderzoekers heeft deze mogelijkheid nu verkend door een theoretisch model te construeren waarin de strijd om het overleven wordt beheerst door de regels van een kwantumspel. In plaats van echte dieren in een bos te bestuderen, creëerden zij een digitale simulatie bestaande uit twee soorten digitale entiteiten: cellen en virussen. In dit model fungeren de virussen als predatoren (roofdieren) en de cellen als prooi. De onderzoekers ontwierpen een scenario waarin elke keer dat een virus een cel tegenkomt, zij een microscopische strijd aangaan om de uitkomst te bepalen. In een standaard, klassieke versie van deze strijd zou het resultaat afhangen van eenvoudige, vooraf bepaalde keuzes, vergelijkbaar met het opgooien van een munt. Echter, de onderzoekers voegden een twist toe: zij lieten de virussen en cellen een kwantumverbinding, of verstrengeling, delen voordat ze elkaar ontmoetten. Deze verbinding betekende dat hun keuzes niet onafhankelijk waren, maar in plaats daarvan verbonden waren op een manier die de klassieke logica tart, waardoor correlaties mogelijk werden die sterker zijn dan alles wat mogelijk is in de alledaagse wereld.

De onderzoekers ontdekten dat de sterkte van deze kwantumverbinding een dramatisch en soms verrassend effect had op de langetermijnoverleving van de populaties. Zij ontdekten een fenomeen dat zij de "monogamie van overleving" noemen. In de kwantumwereld bestaat een strikte regel dat een deeltje niet tegelijkertijd volledig verstrengeld kan zijn met twee verschillende partners; als het sterk verbonden is met de één, moet het zwak verbonden zijn met de ander. De onderzoekers toonden aan dat deze regel zich rechtstreeks vertaalt naar het lot van de populaties. Wanneer de virussen in staat waren hun kwantumverbinding te gebruiken om perfect te coördineren met de cellen, verkregen zij een aanzienlijk voordeel. Echter, vanwege de "monogamie"-regel, werd een andere groep virussen die met dezelfde cellen concurreerde, gedwongen in een staat van zwakke coördinatie als één groep virussen deze sterke kwantumcoördinatie gebruikte. In hun simulaties was deze onbalans fataal. De virussen die er niet in slaagden een sterke kwantumlink met de cellen te behouden, werden tot uitsterving gedreven, terwijl de cellen en de goed verbonden virussen overleefden.

Om te begrijpen hoe dit werkt, stel je de virussen en cellen voor als spelers in een spel waarbij ze elkaars zetten moeten raden. In een klassieke wereld kunnen ze alleen raden op basis van hun eigen informatie. In de kwantumwereld toonden de onderzoekers aan dat de virussen een verborgen link konden delen die hen in staat stelde elkaars zetten te raden met een succespercentage dat wiskundig onmogelijk is in de klassieke wereld. Dit hogere succespercentage vertaalde zich in een hogere "opbrengst" voor de virussen, wat betekende dat zij effectiever reproduceerden. De onderzoekers voerden duizenden simulaties uit om te zien hoe deze populaties in de loop van de tijd veranderden. Zij vonden dat wanneer de virussen het maximale mogelijke kwantumvoordeel gebruikten, het systeem instabiel werd, wat leidde tot de extinctie van de homogene virussoort, terwijl een onderscheidende virussoort overleefde. Omgekeerd, wanneer de virussen hun kwantumverbinding gelijkmatig deelden onder veel verschillende groepen, bleef het systeem stabiel en konden alle soorten samenbestaan, mits het aantal soorten klein was; echter, als er te veel virussoorten waren die allemaal probeerden dezelfde kwantumlink gelijkmatig te delen, zou het systeem instorten en iedereen tot uitsterven drijven.

De studie bekeek ook de wiskundige onderbouwing van deze dynamiek met behulp van een raamwerk dat bekend staat als de Lotka-Volterra-vergelijkingen, wat standaardinstrumenten zijn voor het modelleren van predator-prooi-relaties in de ecologie. Door de standaard interactieparameters te vervangen door waarden afgeleid van de kwantummechanica, konden de onderzoekers precies voorspellen wanneer een populatie zou groeien of krimpen. Zij ontdekten dat de stabiliteit van het gehele ecosysteem afhing van een delicaat evenwicht tussen het aantal virussoorten en de sterkte van hun kwantumcorrelaties. Als er te veel virussoorten waren die allemaal probeerden dezelfde kwantumlink te delen, zou het systeem instorten en iedereen tot uitsterven drijven. Maar als het aantal soorten klein was, of als de kwantumverbindingen op een specifieke manier werden verdeeld, konden de populaties overleven en zelfs floreren.

Dit werk suggereert dat de vreemde regels van de kwantummechanica niet slechts abstracte nieuwsgierigheden zijn, maar in theorie de opkomst en ondergang van hele biologische gemeenschappen kunnen dicteren. De onderzoekers beweerden niet een echt ecosysteem van kwantumvirussen te hebben gebouwd, maar hun simulaties bieden een duidelijk bewijs van concept. Zij toonden aan dat als de natuur kwantumverstrengeling zou gebruiken in de interacties tussen soorten, de uitkomst van evolutie fundamenteel anders zou zijn dan wat we in de klassieke wereld zien. De studie benadrukt een nieuw soort competitie waarbij het vermogen om kwantumcorrelaties te benutten een kwestie van leven of dood wordt. Het opent de deur naar toekomstig onderzoek naar hoe kwantumeffecten biologische processen in de echte wereld kunnen beïnvloeden, van de verspreiding van ziekten tot de stabiliteit van complexe ecosystemen, en suggereert dat de kwantumwereld misschien nauwer verweven is met het weefsel van het leven dan voorheen werd aangenomen.