Cellular Automata as a Model of Physical Systems

Cellular Automata (CA), as they are presented in the literature, are abstract mathematical models of computation. In this pa- per we present an alternate approach: using the CA as a model or theory of physical systems and devices. While this approach abstracts away all details of the underlying physical system, it remains faithful to the fact that there is an underlying physical reality which it describes. This imposes certain restrictions on the types of computations a CA can physically carry out, and the resources it needs to do so. In this paper we explore these and other consequences of our reformalization.Comment: To appear in the Proceedings of AUTOMATA 200

Is there a physically universal cellular automaton or Hamiltonian?

It is known that both quantum and classical cellular automata (CA) exist that are computationally universal in the sense that they can simulate, after appropriate initialization, any quantum or classical computation, respectively. Here we introduce a different notion of universality: a CA is called physically universal if every transformation on any finite region can be (approximately) implemented by the autonomous time evolution of the system after the complement of the region has been initialized in an appropriate way. We pose the question of whether physically universal CAs exist. Such CAs would provide a model of the world where the boundary between a physical system and its controller can be consistently shifted, in analogy to the Heisenberg cut for the quantum measurement problem. We propose to study the thermodynamic cost of computation and control within such a model because implementing a cyclic process on a microsystem may require a non-cyclic process for its controller, whereas implementing a cyclic process on system and controller may require the implementation of a non-cyclic process on a "meta"-controller, and so on. Physically universal CAs avoid this infinite hierarchy of controllers and the cost of implementing cycles on a subsystem can be described by mixing properties of the CA dynamics. We define a physical prior on the CA configurations by applying the dynamics to an initial state where half of the CA is in the maximum entropy state and half of it is in the all-zero state (thus reflecting the fact that life requires non-equilibrium states like the boundary between a hold and a cold reservoir). As opposed to Solomonoff's prior, our prior does not only account for the Kolmogorov complexity but also for the cost of isolating the system during the state preparation if the preparation process is not robust.Comment: 27 pages, 1 figur

Aplicación de vida artificial al estudio de vacunas para el control del virus de papiloma humano tipo 16

Este trabajo de investigación presenta un modelo de vida artificial inspirado en el ciclo de vida del virus de papiloma humano tipo 16 (como agente etiológico de cáncer cervical), en su interacción con el sistema inmune humano y frente al desafío que representa una vacuna terapéutica. Concebido como un sistema complejo y caracterizado mediante técnicas de vida artificial, se diseña un modelo conceptual y se construye un prototipo funcional que permite simular esta interacción, considerando el conocimiento biológico que actualmente se tiene de estos procesos. La caracterización biológica y mecanismos que surgen a partir de la interacción entre patógeno y huésped, y el desarrollo de un proceso infeccioso cuya persistencia puede conducir al desarrollo de cáncer cervical, permite definir un modelo conceptual en términos de reglas, puntos de chequeo, estados, transiciones e interacciones. Aunado a la caracterización del ciclo de vida HPV16, cuyo modelo y prototipo fue presentado previamente en (Escobar-Ospina, M.E. y Gómez-Perdomo, J., 2013), el diseño del modelo conceptual y la construcción del prototipo funcional de la aplicación de vida artificial que actualmente se presenta, consideran la caracterización biológica de varias poblaciones celulares involucradas, incluidos sus procesos de diferenciación, proliferación y muerte celular programada. Así mismo, se incluye la caracterización de vías de señalización de un grupo de receptores claves en la respuesta inmune (TLRs), y también cinco (5) grupos de familias de citoquinas que incluyen cuarenta y ocho (48) diferentes miembros, perfilando sus componentes y modelando patrones de expresión que se observan en respuestas pro-inflamatorias y anti-inflamatorias. A partir de estos componentes y sus interacciones, surge la dinámica que permite simular la respuesta del sistema inmune humano ante la detección y evolución del proceso infeccioso causado por HPV16. A este conjunto, se suman las herramientas que permiten simular la aplicación de algunos tipos de vacunas terapéuticas que modifican el comportamiento del sistema inmune. El reconocimiento de las poblaciones celulares, receptores y citoquinas, frente al proceso infeccioso desencadenado por HPV16, aunado al conocimiento biológico que actualmente se tiene, hace posible simular estos microambientes en aras de observar procesos de regresión o progresión de la enfermedad, luego de la aplicación de una vacuna terapéutica cuyo objetivo se encuentre dirigido hacia alguno de los componentes que intervienen en el modelo que se presenta (proteínas virales, cascadas de señalización, expresión de citoquinas). La construcción de este modelo busca apoyar procesos de simulación en actividades de investigación para el desarrollo de vacunas que procuren controlar enfermedades causadas por infección HPV16.Doctorad

Cellular automata as a model of physical systems

Cellular Automata (CA), as they are presented in the literature, are abstract mathematical models of computation. In this pa- per we present an alternate approach: using the CA as a model or theory of physical systems and devices. While this approach abstracts away all details of the underlying physical system, it remains faithful to the fact that there is an underlying physical reality which it describes. This imposes certain restrictions on the types of computations a CA can physically carry out, and the resources it needs to do so. In this paper we explore these and other consequences of our reformalization