Митио Каку
Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё

Знак информационной продукции (Федеральный закон № 436-ФЗ от 29.12.2010 г.)

Издано при поддержке Российского квантового центра

Переводчик: Наталья Лисова

Научный редактор: Алексей Рубцов, доктор физ. – мат. наук, профессор РАН

Редактор: Ольга Нижельская

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Анна Тарасова

Художественное оформление и макет: Юрий Буга

Корректоры: Елена Рудницкая, Лариса Татнинова

Верстка: Андрей Фоминов

Иллюстрация на обложке: Getty Images

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Michio Kaku, 2023

All rights reserved. Published in the United States by Doubleday, a division of Penguin Random House LLC, New York, and distributed in Canada by Random House of Canada Limited, Toronto.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2024

* * *

В книге упоминаются социальные сети Instagram и/или Facebook – продукты компании Meta Platforms Inc., деятельность которой по реализации соответствующих продуктов на территории Российской Федерации запрещена как экстремистская.

Моей любящей жене Сидзуэ

и моим дочерям д-ру Мишель Каку и Элисон Каку

Предисловие к русскому изданию

Физика, которая изучает явления, происходящие в области элементарных частиц, называется квантовой. Многие уравнения классической механики, сформулированные еще Исааком Ньютоном, перестают работать на квантовом уровне. Они хорошо описывают взаимодействия объектов привычных нам размеров и скоростей, но не могут объяснить, как то же самое происходит на уровне элементарных частиц.

Годом рождения квантовой физики можно считать 1900-й, когда немецкий ученый Макс Планк, изучая законы теплового излучения нагретых тел, ввел понятие «квант», назвав таким образом минимально возможную порцию излучаемой энергии. Альберт Эйнштейн, исследуя явление фотоэффекта, первым из ученых предположил: сам свет состоит из квантов или фотонов, что противоречило всем представлениям физики XIX в. Так родилась квантовая механика.

Последовавший за созданием квантовой механики период взрывного технологического роста принято называть первой квантовой революцией. Ее основой стало использование коллективных квантовых явлений. В 1930–1940-х гг. начались активные исследования полупроводниковых материалов, свойства которых стало возможно описать с помощью квантовой механики. На основе этих изысканий созданы первые полупроводниковые транзисторы – главные компоненты электроники. В 1954 г. советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали первый квантовый генератор света, или лазер – устройство, управляющее потоком фотонов. С конца XX в. мир находится на пороге второй квантовой революции. Ее ключевое технологическое отличие заключается в управлении индивидуальными квантовыми объектами, например атомами или фотонами.

Сегодня внимание к развитию квантовых технологий во многом связано с идеей квантовых вычислений, или, проще говоря, квантовых компьютеров, которые призваны решить задачи, ранее недоступные человечеству. Идею о возможности использования квантовых эффектов для вычислений впервые высказал американский физик и нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Спустя 20 лет, в 1980 г., советский математик Юрий Манин описал идею квантовых вычислений. В книге «Вычислимое и невычислимое», рассуждая о сложности процесса считывания и записи биологической информации с молекул ДНК, он заметил, что для моделирования этого процесса могли бы подойти квантовые устройства.

Сейчас индустрия квантовых вычислений находится на этапе «шумных квантовых процессоров среднего масштаба», то есть систем из сотен кубитов, работающих неустойчиво из-за внешних помех. В ближайшем будущем прогнозируется появление защищенных от ошибок квантовых компьютеров, которые будут существенно эффективнее классических в решении задач с большим количеством переменных, таких как моделирование и оптимизация.

При этом рынок уже учится применять квантовые вычисления. В логистике их используют для маршрутизации транспорта и составления расписаний. В финансах – для оценки рисков, оптимизации инвестиционных портфелей и кредитного скоринга. Компании промышленного сектора проводят эксперименты по использованию квантовых компьютеров для моделирования новых лекарств и сборки геномов, оптимизации энергосетей, разработки новых материалов, аэро- и гидродинамических расчетов.

Появление мощных квантовых компьютеров бесповоротно изменит будущее человечества. За технологическим переворотом придут масштабные изменения в жизни общества и культуре. Какими будут эти изменения, мы пока не представляем, но жизнь точно не останется прежней.

Руслан Юнусов,

сооснователь Российского квантового центра

Часть I
Рождение квантовых компьютеров

Глава 1
Конец эпохи кремния

Революция начинается.

В 2019 и 2020 гг. в мире науки произошли две сенсации. Две группы объявили о достижении ими квантового превосходства – то есть той исторической точки, в которой принципиально новый тип компьютера, известный как квантовый компьютер, может убедительно превзойти по производительности обычный цифровой суперкомпьютер в решении определенных задач. Это возвестило о начале переворота, способного изменить весь ландшафт мира информационных технологий и серьезно повлиять на нашу повседневную жизнь во всех ее проявлениях.

Сначала компания Google сообщила, что ее квантовый компьютер Sycamore способен за 200 секунд справиться с математической задачей, на решение которой самому быстрому суперкомпьютеру в мире потребовалось бы 10 000 лет. Судя по статье в журнале MIT Technology Review, Google назвала это крупным прорывом. Она сравнила это событие с запуском первого спутника или первым полетом братьев Райт. Это был «порог новой эпохи машин, по сравнению с которыми самый мощный сегодняшний компьютер будет выглядеть как обыкновенные счеты»{1}.

Затем Институт квантовых инноваций Китайской академии наук пошел еще дальше. Тамошние ученые заявили, что их квантовый компьютер в 100 триллионов раз быстрее обычного суперкомпьютера. Вице-президент IBM Боб Сутор, комментируя стремительный взлет квантовых компьютеров, заявляет невозмутимо: «Думаю, это станет важнейшей вычислительной технологией текущего столетия»{2}.

Квантовый компьютер называют «предельным», или «абсолютным», компьютером и считают судьбоносным технологическим скачком, несущим кардинальные изменения всему миру. Вместо того чтобы выполнять вычисления на крохотных транзисторах, он проводит их на мельчайших объектах – на самих атомах – и потому способен легко превзойти по мощности наш лучший суперкомпьютер. Квантовые компьютеры могут стать проводниками в совершенно новую эпоху для экономики, общества и нашего образа жизни.

Но квантовый компьютер – нечто большее, чем просто очередная более мощная вычислительная машина. Это компьютер нового типа, способный справляться с задачами, которые цифровые компьютеры не могут решить в принципе, даже за бесконечное время. К примеру, цифровые компьютеры не в состоянии точно рассчитать, как атомы взаимодействуют между собой в процессе важнейших химических реакций, особенно тех, что делают возможной жизнь. Цифровые компьютеры могут считать только на цифровой ленте, состоящей из последовательности нулей и единиц, которые слишком примитивны, чтобы описать тонкие волны электронов, танцующих глубоко внутри молекулы. К примеру, при скучном расчете траектории движения мыши в лабиринте цифровому компьютеру приходится кропотливо анализировать все возможные маршруты один за другим. Квантовый же компьютер одновременно – и в один миг – анализирует все возможные траектории.

Это, в свою очередь, сильно подогрело и без того напряженное соперничество между конкурирующими компьютерными гигантами, каждый из которых стремится как можно скорее создать самый мощный в мире квантовый компьютер. В 2021 г. IBM представила собственный квантовый компьютер под названием Eagle («Орел»), который и занял лидирующую позицию, поскольку обладает большей вычислительной мощностью, чем все предыдущие модели.

Но подобные рекорды похожи на корочку пирога – для того они и создаются, чтобы быть разрушенными.

Если учесть глубокие последствия, которые повлечет за собой эта революция, неудивительно, что многие ведущие мировые корпорации вкладывают в эту новую технологию огромные суммы. Компании Google, Microsoft, Intel, IBM, Rigetti и Honeywell создают прототипы квантовых компьютеров. Лидеры Кремниевой долины понимают, что должны идти в ногу с революционными процессами – или они останутся на обочине.

Компании IBM, Honeywell и Rigetti Computing разместили свои квантовые компьютеры первого поколения в интернете, чтобы раздразнить аппетиты любопытной публики и дать возможность людям впервые познакомиться напрямую с квантовыми вычислениями. Любой человек может испытать квантовую революцию на себе, соединившись с квантовым компьютером через интернет. Так, проект «IBM Q Experience», запущенный в 2016 г., бесплатно предоставляет публике через интернет 15 квантовых компьютеров. Среди их пользователей – компании Samsung и JPMorgan Chase. К настоящему моменту этими компьютерами каждый месяц пользуются уже 2000 человек, от школьников до профессоров.

Весьма активный интерес к этой технологии проявляют и биржи. IonQ первой из крупных компаний, связанных с квантовыми вычислениями, стала публичным акционерным обществом и получила при первичном размещении акций 600 млн долларов. Соперничество на этом рынке настолько жесткое, что новый стартап PsiQuantum, не имеющий ни коммерческого прототипа на рынке, ни каких бы то ни было реальных результатов прошлой деятельности, внезапно взлетел на бирже до 3,1 млрд долларов с возможностью получить 665 млн долларов кредита чуть ли не за один день. Бизнес-аналитики писали, что им редко приходилось видеть подобное – чтобы новая компания сумела так удачно воспользоваться волной лихорадочных спекуляций и сенсационных заголовков и взлететь так высоко.

По оценкам консалтинговой и аудиторской компании Deloitte, объем рынка квантовых компьютеров в 2020-е гг. должен достичь сотен миллионов долларов, а в 2030-е – десятков миллиардов долларов. Никто не знает, когда квантовые компьютеры выйдут на торговые площадки и изменят экономический ландшафт, но прогнозы постоянно пересматриваются в соответствии с беспрецедентными темпами научного прогресса в этой области. Говоря о стремительном развитии квантовых компьютеров, генеральный директор компании Zapata Computing Кристофер Савой и отметил: «Это уже не вопрос о том, будет или нет, а о том, когда будет»{3}.

Даже Конгресс США проявил острый интерес и желание придать дополнительный импульс развитию новой квантовой технологии. Понимая, что другие державы уже начали щедро финансировать исследования в области квантовых компьютеров, Конгресс США в декабре 2018 г. принял закон о Национальной квантовой инициативе, призванный обеспечить стартовый капитал для запуска и стимулирования новых исследований. В нем предусматривается образование от двух до пяти новых национальных исследовательских центров по квантовой информатике с финансированием 80 млн долларов в год.

В 2021 г. правительство США также объявило об инвестировании 625 млн долларов в квантовые технологии под контролем Министерства энергетики. Кроме того, еще 340 млн долларов в фонд проекта внесли гигантские корпорации, такие как Microsoft, IBM и Lockheed Martin.

Китай и США не единственные страны, использующие правительственные фонды, чтобы ускорить внедрение этой технологии. Правительство Великобритании в настоящее время создает Национальный центр квантовых вычислений, который будет служить хабом для исследований в этой области. Центр должен быть построен в лаборатории Харвелл Совета по науке и технологиям в Оксфордшире. При поддержке правительства Великобритании к концу 2019 г. в стране было основано 30 стартапов, работающих в области квантовых вычислений.

Промышленные аналитики признают, что игра идет не меньше чем на триллион долларов. В этой отрасли чрезвычайно высокая конкуренция и нет никаких гарантий. Несмотря на внушительные технические достижения Google и других компаний в последние годы, до рабочего квантового компьютера, способного решать реальные задачи, еще очень далеко. Нам предстоит проделать массу тяжелой работы. Некоторые критики даже утверждают, что все это может оказаться погоней за миражами. Но компьютерные компании понимают: если они не успеют или не захотят шагнуть в эту дверь, она захлопнется у них перед носом.

Иван Остоджич, один из партнеров консалтинговой фирмы McKinsey, утверждает: «Компаниям в тех отраслях, где квантовые технологии потенциально смогут изменить ситуацию в максимальной степени, следует начинать заниматься ими прямо сейчас»{4}. Такие области человеческой деятельности, как химия, медицина, нефть и газ, перевозки, логистика, банковское дело, фармацевтика и кибербезопасность, нуждаются в масштабных переменах. Остоджич добавляет: «В принципе, квант окажет значимое влияние на все информационные технологии, поскольку ускорит решение широкого спектра задач. Компаниям необходимо обзавестись квантовыми возможностями».

Верн Браунелл, бывший генеральный директор канадской компании квантовых вычислений D-Wave Systems, замечает: «Мы уверены, что вот-вот сможем предоставить мощности, которые нельзя обеспечить с помощью классических вычислений».

Многие ученые считают, что мы в настоящий момент входим в совершенно новую эпоху, и потрясения, связанные с переходом, будут сравнимы с теми, что произошли при появлении транзисторов и микросхем. Компании, не имеющие непосредственных связей с производством компьютеров, такие как автомобильный гигант Daimler (владелец марки Mercedes-Benz), уже вкладывают деньги в эти технологии, полагая, что квантовые компьютеры смогут проложить им путь к новым разработкам в их собственной отрасли. Один из руководителей их конкурента BMW, Джулиус Марсеа, написал: «Мы с большим интересом исследуем преобразующий потенциал квантовых вычислений в применении к автомобильной промышленности и твердо рассчитываем расширить пределы наших инженерных возможностей»{5}. Другие крупные компании, такие как Volkswagen и Airbus, организовали у себя собственные подразделения квантовых вычислений, чтобы изучить, какие технологические сдвиги могут вызвать эти вычисления в их отраслях.

Фармацевтические компании также внимательно следят за всеми нововведениями в этой области, понимая, что квантовые компьютеры, возможно, будут способны моделировать сложные химические и биологические процессы, выходящие далеко за рамки возможностей цифровых компьютеров. Не исключено, что громадные мощности, задействованные в испытаниях миллионов лекарств, когда-нибудь сменятся «виртуальными лабораториями», которые будут испытывать лекарства в киберпространстве. Были опасения, что все это однажды заменит химиков и сделает их ненужными. Но Дерек Лоу, ведущий блог о разработке новых лекарств, замечает: «Речь не о том, что машины заменят химиков. Речь о том, что химики, которые используют машины, заменят тех, кто этого не делает»{6}.

Даже Большой адронный коллайдер возле Женевы в Швейцарии, крупнейшая научная установка в мире, сталкивающая между собой протоны с энергией 14 трлн электронвольт, чтобы воссоздать условия, существовавшие в ранней Вселенной, теперь использует квантовые компьютеры для просеивания громадных массивов данных. За одну секунду они способны проанализировать до триллиона байт информации, сгенерированной примерно миллиардом столкновений частиц. Возможно, когда-нибудь квантовые компьютеры сумеют разгадать тайну рождения Вселенной.

Квантовое превосходство

Еще в 2012 г., когда физик Джон Прескилл из Калифорнийского технологического института впервые ввел в обращение термин «квантовое превосходство», многие ученые покачали головами. Пройдут десятилетия, если не столетия, подумали они, прежде чем квантовые компьютеры смогут обогнать по производительности цифровой компьютер. В конце концов, вычисления на отдельных атомах, а не на пластинах кремниевых микросхем считались чертовски сложными. Малейшая вибрация или шум может нарушить изящный танец атомов в квантовом компьютере. Но сегодня поразительные заявления о новых достижениях в квантовом превосходстве в клочья рвут мрачные предсказания скептиков. Теперь основное внимание смещается к вопросу о том, насколько быстро будет развиваться эта область.

Толчки, вызванные этими замечательными достижениями, прочувствовали также руководства государственных организаций и секретные разведывательные службы по всему миру. Документы, опубликованные анонимными разоблачителями, показали, что ЦРУ и Агентство национальной безопасности США внимательно отслеживают все происходящее в этой области. Дело в том, что мощность квантовых компьютеров настолько велика, что, в принципе, они способны взломать все известные кибершифры. Это означает, что секреты, тщательно охраняемые правительствами, – особая ценность, поскольку это самая чувствительная информация, – будут уязвимы перед такими кибератаками, как и самые строгие секреты корпораций и даже отдельных людей. Ситуация требует настолько особого внимания, что даже Национальный институт стандартов и технологий США (NIST), определяющий национальную политику и стандарты, недавно выпустил инструкцию, призванную помочь крупным корпорациям и агентствам спланировать неизбежный переход в новую эпоху. NIST уже объявил, что, по его прогнозам, к 2029 г. квантовые компьютеры смогут взломать 128-битное AES-шифрование – шифр, которым пользуются многие компании.

Али Эль-Каафарани, журналист Forbes, отмечает: «Это весьма пугающая перспектива для любой организации, которая хочет защитить какую бы то ни было чувствительную информацию»{7}.

Китайцы потратили 10 млрд долларов на свою Национальную лабораторию квантовой информатики, поскольку твердо настроены стать лидером в этой жизненно важной и стремительно развивающейся области. Государства тратят десятки миллиардов, чтобы усилить охрану своих шифров. Вооружившись квантовым компьютером, условный хакер мог бы, по идее, взломать любой цифровой компьютер на планете, таким образом внося хаос в целые отрасли и даже в вооруженные силы. Вся чувствительная информация может стать доступной любому, кто предложит за нее больше других. Финансовые рынки также могут быть ввергнуты в кризис, если квантовые компьютеры вломятся в святая святых Уолл-стрит. Кроме того, квантовые компьютеры могли бы разомкнуть блокчейн, создавая хаос и на рынке биткойна. По оценкам Deloitte, около 25 % биткойнов потенциально уязвимы для взлома при помощи квантового компьютера.

«Текущие проекты на базе блокчейна, скорее всего, внимательно и нервно следят за продвижением квантовых вычислений»{8}, – делается вывод в докладе CB Insights, ИТ-компании, занятой созданием ПО для обработки данных.

Так что на кону стоит ни много ни мало мировая экономика, неразрывно связанная с цифровыми технологиями. При помощи компьютеров банки Уолл-стрит отслеживают многомиллиардные долларовые транзакции. При помощи компьютеров инженеры проектируют небоскребы, мосты и ракеты. Художникам не обойтись без компьютеров при анимации голливудских блокбастеров. Фармацевтические компании пользуются компьютерами при разработке очередных чудо-лекарств. Дети прибегают к компьютерам, чтобы поиграть с друзьями в новейшие видеоигры. И все мы в решающей степени зависим от сотовых телефонов, когда получаем мгновенно через них новости от наших друзей, знакомых и родственников. Каждому приходилось испытывать приступ паники, когда не можешь найти свой сотовый. В общем, чрезвычайно трудно назвать хотя бы какую-то область человеческой деятельности, в которой компьютеры определяют буквально все. Мы настолько от них зависимы, что, если бы вдруг все компьютеры в мире внезапно прекратили работать, цивилизация погрузилась бы в хаос. Вот почему ученые следят за развитием квантовых компьютеров так внимательно.

Конец закона мура

Что движет всей этой суетой и спорами?

Резкий скачок квантовых технологий – признак того, что эра кремния потихоньку подходит к концу. На протяжении полувека взрывной рост мощности компьютеров описывался законом Мура, получившим свое название по имени основателя Intel Гордона Мура. Закон Мура гласит, что мощность компьютеров удваивается каждые полтора года. Этот обманчиво простой закон описывает замечательный экспоненциальный рост мощности компьютеров, не имевший прецедентов в истории человечества. Никакое другое изобретение не оказало подобного всеохватного влияния за такой короткий промежуток времени.

Компьютеры на протяжении своей истории прошли множество этапов развития, всякий раз многократно повышая свою мощность и вызывая серьезные социальные изменения. Если разобраться, то закон Мура можно распространить и на прошлое, вплоть до XIX в., до эпохи механических вычислителей. В то время инженеры для простых арифметических операций использовали вращающиеся цилиндры, штырьки, шестеренки, колесики. К началу прошлого века в этих вычислителях начали использовать электричество, заменяя шестеренки на реле и кабели. Во время Второй мировой войны компьютеры использовали целые батареи вакуумных электронных ламп, чтобы взламывать секретные правительственные шифры. В послевоенную эпоху произошел переход с радиоламп на транзисторы, которые можно было уменьшать до микроскопических размеров, что способствовало дальнейшему повышению скорости и мощности компьютеров.

В 1950-е гг. универсальные вычислительные машины были доступны лишь крупным корпорациям, правительственным агентствам вроде Пентагона и международным банкам. Они были мощными (так, ENIAC способен был за 30 секунд посчитать то, что потребовало бы от человека 20 часов работы). Но при этом они были дорогими, громоздкими и часто занимали целый этаж офисного здания. Появление микросхем произвело настоящую революцию в производстве компьютеров. За прошедшие десятилетия микросхемы настолько уменьшились в размерах, что средний чип размером с ноготь может теперь содержать в себе около миллиарда транзисторов. Сегодня сотовый телефон, на котором ребенок играет в видеоигры, оказывается мощнее целого зала неуклюжих «динозавров», которыми когда-то пользовался Пентагон. Компьютер у нас в кармане превосходит по мощности компьютеры, применявшиеся во время холодной войны, и мы воспринимаем этот факт как нечто само собой разумеющееся.

Все проходит. Каждый шаг к чему-то новому в процессе развития компьютеров приводил к тому, что прежние технологии устаревали. Так работает созидательное разрушение. Повышение мощности классических компьютеров по закону Мура уже замедляется, а со временем может и совсем остановиться. Дело в том, что микросхемы стали уже такими компактными, что толщина самого тонкого слоя транзисторов составляет около 20 атомов. Когда толщина слоя достигает примерно пяти атомов, положение электрона становится неопределенным; утечка таких электронов может вызвать короткое замыкание в чипе или выделить так много тепла, что чип расплавится. Иными словами, если мы будем использовать в микросхемах в первую очередь кремний, то закон Мура должен рано или поздно прекратить действовать, просто по законам физики. Вполне может быть, что мы в настоящий момент являемся свидетелями конца эпохи кремния. Следующим скачком, возможно, станет посткремниевая, или квантовая, эпоха.

Санджей Натараджан из Intel заявил: «Мы считаем, что выжали из этой архитектуры всё, что можно было выжать»{9}.

Не исключено, что Кремниевая долина со временем станет новым «ржавым поясом».

Хотя и кажется сейчас, что все спокойно, рано или поздно это новое будущее наступит. Как утверждает Хартмут Невен, директор Лаборатории искусственного интеллекта Google: «Все выглядит так, будто ничего не происходит, ровным счетом ничего, а потом упс – и ты вдруг оказываешься в другом мире»{10}.

Почему они такие мощные?

Что делает квантовые компьютеры настолько мощными, что все страны мира спешат овладеть этой новой технологией?

В сущности, все современные компьютеры основываются на цифровой информации, которую можно представить в виде последовательности нулей и единиц. Минимальная единица информации – одна цифра – называется бит. Эту последовательность нулей и единиц скармливают цифровому процессору, который производит расчет и выдает результат на выход. К примеру, скорость вашего интернет-соединения может измеряться в битах в секунду (бит/с); так, один гигабит в секунду (1 Гбит/с) означает, что каждую секунду на ваш компьютер посылается один миллиард бит информации, что обеспечивает вам мгновенный доступ к фильмам, электронной почте, документам и тому подобному.

Однако нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 г. увидел и другой подход к цифровой информации. В пророческом новаторском выступлении «Внизу много места» и последовавших за ним статьях он задался вопросом: почему не заменить эту последовательность нулей и единиц состояниями атомов и не сделать атомный компьютер? Почему не заменить транзисторы самым маленьким возможным объектом, атомом?

Атомы подобны вращающимся волчкам. В магнитном поле ось их вращения может быть направлена либо вверх, либо вниз по отношению к магнитному полю, и эти два состояния атома можно соотнести с 0 и 1.

Мощность цифрового компьютера напрямую связана с числом состояний (нулей или единиц) в этом самом компьютере. Но по странным законам субатомного мира атомы способны также вращаться в любой комбинации двух описанных положений. К примеру, можно получить состояние, в котором ось вращения атома 10 % времени направлена вверх, а 90 % времени – вниз (для краткости можно говорить, что атом вращается вверх или вниз или просто о состояниях «вверх» и «вниз»). Или он вращается 65 % времени вверх, а 35 % – вниз. Мало того, число вариантов вращения атома бесконечно. Это многократно увеличивает число его возможных состояний. Так что атом может нести в себе гораздо больше информации – не бит, а кубит, то есть одномоментную смесь состояний «вверх» и «вниз». Цифровые биты способны нести лишь по одному биту информации в каждый момент времени, что ограничивает их возможности, но кубиты, или квантовые биты, обладают почти неограниченной мощностью. Тот факт, что на атомном уровне объекты могут существовать одновременно во множестве состояний, называется суперпозицией. (Это означает также, что привычные законы здравого смысла на атомном уровне постоянно нарушаются. В этом масштабе электроны, в частности, могут находиться в двух местах одновременно, чего у более крупных объектов не бывает.)

Кроме того, кубиты могут взаимодействовать между собой, что для обычных бит невозможно. Это называется запутанностью. Если состояния цифровых бит независимы, то всякий раз, когда вы добавляете к системе очередной кубит, он взаимодействует со всеми предыдущими кубитами, то есть число возможных взаимодействий удваивается. Из этого следует, что квантовые компьютеры по своей природе экспоненциально мощнее цифровых компьютеров, – ведь каждый раз, когда вы добавляете очередной кубит, число взаимодействий удваивается.

К примеру, сегодняшние квантовые компьютеры могут иметь в своем составе более 100 кубитов. Это означает, что они в 2¹⁰⁰ раз мощнее суперкомпьютера всего с одним кубитом.

Квантовый компьютер Sycamore компании Google, первым достигший квантового превосходства, способен обрабатывать при помощи своих 53 кубитов 72 миллиарда миллиардов байт памяти. Так что любой традиционный компьютер в подметки не годится подобному квантовому компьютеру.

Коммерческие и научные последствия всего этого громадны. Ставки при переходе от цифровой мировой экономики к экономике квантовой необычайно высоки.

Что ограничивает скорость квантовых компьютеров

Следующий ключевой вопрос звучит так: что мешает нам сегодня вывести на рынок мощные квантовые компьютеры? Почему какой-нибудь предприимчивый изобретатель не продемонстрирует нам квантовый компьютер, способный взломать любой известный шифр?

Проблему, с которой сталкиваются квантовые компьютеры, также предвидел Ричард Фейнман, когда впервые предлагал эту концепцию. Чтобы квантовые компьютеры работали, атомы необходимо расположить в точности так, чтобы они вибрировали в унисон. Это называется когерентностью. Но атомы – невероятно маленькие и чувствительные объекты. Малейшее загрязнение или возмущение из внешнего мира – и когерентность батареи атомов может быть нарушена и весь расчет – погублен. Эта невероятная чувствительность и уязвимость и есть главная проблема квантовых компьютеров. Так что вопрос на триллион долларов: можем ли мы контролировать декогеренцию?

Чтобы минимизировать вредное влияние внешнего мира, ученые при помощи специального оборудования понижают температуру до значений, близких к абсолютному нулю, когда нежелательные колебания почти отсутствуют. Но, чтобы достичь этих температур, требуются особые дорогостоящие насосы и трубки.

Здесь мы сталкиваемся с загадкой. Мать-природа использует квантовую механику при комнатной температуре без каких бы то ни было проблем. К примеру, чудо фотосинтеза – одного из важнейших процессов на Земле – представляет собой квантовый процесс, который проходит тем не менее при обычной температуре. Матери-природе не нужны целые комнаты экзотических устройств, работающих при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы осуществлялся фотосинтез. По не совсем понятным причинам в природе когерентность может поддерживаться даже в теплый солнечный день, когда возмущения от внешнего мира должны, по идее, порождать хаос на атомном уровне. Если бы мы смогли однажды разобраться, как мать-природа творит свое волшебство при нормальных температурах, мы стали бы, возможно, повелителями квантовых процессов и даже самой жизни.

Революция в экономике

Хотя в краткосрочной перспективе квантовые компьютеры представляют угрозу кибербезопасности государств, в долгосрочной перспективе они имеют громадное практическое значение и способны произвести революцию в мировой экономике, обеспечить более устойчивое будущее и дать старт эпохе квантовой медицины, чтобы лечить ранее неизлечимые болезни.

Существует множество областей, в которых квантовые компьютеры смогут обойти традиционные цифровые машины:

1. Информационно-поисковые системы

В прошлом богатство означало владение нефтью или золотом.

Теперь оно все чаще измеряется информацией. Если прежде компании просто избавлялись от своих финансовых данных, то сейчас эта информация считается более ценной, чем драгоценные металлы. Но просеивание целой кучи данных может оказаться не под силу традиционному цифровому компьютеру. И здесь на сцену выходят квантовые вычислительные машины, которые способны найти иголку в стоге сена. Не исключено, что квантовые компьютеры смогут проанализировать финансы компании и выделить те несколько факторов, которые не позволяют ей развиваться.

И правда, JPMorgan Chase недавно вступил в партнерство с IBM и Honeywell, чтобы иметь возможность анализировать свои данные, а значит, делать более точные прогнозы финансовых рисков и неопределенностей и повышать эффективность своих операций.

2. Оптимизация

После того как квантовые компьютеры использовали поисковые системы, чтобы выделить из массы данных ключевые значения, встает следующий вопрос: как приспособить их для максимизации определенных факторов, таких как прибыль. По меньшей мере крупные корпорации, университеты и правительственные агентства будут применять квантовые компьютеры, чтобы минимизировать свои расходы и максимизировать эффективность и прибыль. К примеру, чистая прибыль некой компании зависит от сотен параметров, таких как заработная плата, продажи, издержки и так далее, и все они быстро меняются во времени. Задача поиска верного сочетания бесчисленных факторов, чтобы максимизировать прибыль, может перегрузить традиционный цифровой компьютер. Тем временем какая-нибудь финансовая фирма захочет использовать квантовые компьютеры для прогнозирования финансовых рынков, на которых ежедневно заключаются сделки на миллиарды долларов. Именно здесь пригодятся квантовые компьютеры, обеспечивающие вычислительные мускулы для оптимизации финансовых результатов.

3. Моделирование

Квантовые компьютеры смогут также решать сложные уравнения, выходящие за рамки возможностей цифровых компьютеров. К примеру, инжиниринговые фирмы могут использовать квантовые компьютеры для расчета аэродинамики самолетов и автомобилей, чтобы найти идеальную форму, которая позволит снизить трение, минимизировать расходы и максимизировать эффективность. Правительства могут использовать квантовые компьютеры для прогнозирования погоды, от определения траектории чудовищного урагана до расчета влияния глобального потепления на экономику и наш образ жизни на десятилетия вперед. Ученые могут использовать квантовые компьютеры для поиска оптимальной конфигурации магнитов в гигантских установках ядерного синтеза, чтобы обуздать мощь водородного синтеза и «поместить солнце в бутылку».

Но, возможно, самую большую пользу квантовые компьютеры принесут в моделировании сотен жизненно важных химических процессов. В идеале хотелось бы иметь возможность предсказывать результат любой химической реакции на атомном уровне вообще без использования химикатов, только при помощи квантовых компьютеров. Эта новая отрасль науки – вычислительная химия – определяет химические свойства не путем эксперимента, а при помощи моделирования их в квантовом компьютере. Когда-нибудь это позволит исключить дорогостоящее и занимающее длительное время тестирование. Вся биология, медицина и химия будут сведены к квантовой механике. Это означает создание «виртуальной лаборатории»: здесь с помощью памяти квантового компьютера можно быстро проверять новые лекарства, средства и методы лечения, обходясь без десятилетий проб и ошибок и медленных, трудоемких лабораторных экспериментов. Вместо того чтобы проводить тысячи сложных, дорогих и продолжительных химических экспериментов, можно будет просто нажать кнопку на квантовом компьютере.

4. Слияние ИИ и квантовых компьютеров

Искусственный интеллект (ИИ) обладает особой способностью учиться на ошибках, что позволяет ему выполнять всё более сложные задания. Он уже доказал свою эффективность в промышленности и медицине. Однако один из недостатков ИИ состоит в том, что громадное количество данных, которое он должен обрабатывать, легко может перегрузить традиционный цифровой компьютер. Но способность просеивать горы данных – одна из сильных сторон квантовых компьютеров. Так что взаимное обогащение ИИ и квантовых компьютеров может значительно расширить их возможности в решении любых задач.

Дальнейшее применение квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры способны изменить целые отрасли. Не исключено, к примеру, что именно квантовые компьютеры приведут к тому, что наступит долгожданная солнечная эра. Уже несколько десятилетий футуристы и визионеры предсказывают, что возобновляемая энергия постепенно вытеснит ископаемое топливо и решит проблему парникового эффекта, нагревающего нашу планету. Целые армии таких мыслителей и мечтателей превозносят достоинства возобновляемой энергии.

Но век Солнца все откладывается.

Хотя цены на ветровые турбины и солнечные панели упали, энергия, полученная с их помощью, составляет лишь небольшую долю от мирового производства энергии. Встает вопрос: что случилось?

Любая новая технология в начале своего существования сталкивается с главным препятствием: затратами. После нескольких десятилетий пения осанны солнечной и ветровой энергии рекламщикам и продажникам приходится признать, что она по-прежнему сто́ит в среднем несколько дороже, чем энергия, полученная из ископаемого топлива. Причина ясна. Когда солнце не светит, а ветер не дует, техническое оборудование возобновляемой энергетики попросту простаивает, собирая на себя пыль.

О главном «бутылочном горлышке», затрудняющем приход века Солнца, часто забывают, а это «бутылочное горлышко» не ветряк и не солнечная панель, а аккумуляторная батарея. Мы испорчены тем фактом, что вычислительные мощности растут экспоненциально быстро, и мы подсознательно считаем, что тот же темп развития наблюдается для любой электронной технологии.

Вычислительные мощности резко возросли отчасти потому, что для вытравливания крохотных транзисторов на кремниевом чипе мы можем использовать ультрафиолетовое излучение с меньшей длиной волны. Но аккумуляторная батарея – другое дело. Это довольно грубое устройство, где применяется целый набор экзотических химикатов в сложном взаимодействии. Мощность батарей растет медленно; это трудоемкий процесс, где все делается методом проб и ошибок, а не систематическим уменьшением длины волны УФ-излучения, используемого для травления. Более того, энергия, накопленная в аккумуляторе, составляет крохотную долю от энергии, содержащейся в бензине.

Квантовые компьютеры могли бы это изменить. Не исключено, что они способны смоделировать тысячи возможных химических реакций без необходимости проводить их в лаборатории, чтобы найти наиболее эффективный процесс для супераккумулятора и открыть таким образом дорогу в солнечную эру.

Энергетические и автомобильные компании уже используют квантовые компьютеры первого поколения от IBM в попытках решить проблему аккумуляторных батарей. Они пытаются увеличить емкость и скорость перезарядки для следующего поколения аккумуляторов на основе лития и серы. Но это лишь один способ повлиять на климат. Кроме того, ExxonMobil использует квантовые компьютеры IBM, чтобы создать новые химические вещества для низкоэнергетической переработки и связывания углерода. В частности, сотрудники компании хотят, чтобы квантовые компьютеры могли моделировать разные материалы и определять их химическую природу, например теплоемкость.

Основатель PsiQuantum Джереми О'Брайен подчеркивает, что эта революция не подразумевает создания более быстрых компьютеров. Скорее, она означает решение задач, скажем, сложные химические и биологические реакции, которые никакой традиционный компьютер решить не в состоянии, сколько бы времени мы ему ни дали.

Он утверждает: «Речь идет не о том, чтобы делать что-то быстрее или лучше… речь о том, чтобы в принципе иметь возможность это делать… Эти задачи не по зубам любому традиционному компьютеру, который мы могли бы когда-либо построить… даже если бы взяли каждый атом кремния на планете и превратили его в суперкомпьютер, мы все равно не смогли бы решить… подобные задачи»{11}.

Накормить планету

Еще одним важным аспектом применения квантовых компьютеров может стать обеспечение продовольствием растущего населения Земли. Некоторые бактерии способны без труда извлекать азот из воздуха и преобразовывать его в аммиак; затем аммиак превращают в другие химические вещества, которые становятся удобрением. Именно благодаря этому азотфиксирующему процессу на Земле процветает жизнь, существуют условия для устойчивого воспроизводства растений, которые служат пищей для людей и животных. Когда химики сумели повторить эти реакции в процессе Габера – Боша, началась Зеленая революция. Однако этот процесс требует огромного количества энергии. На него тратится ни много ни мало 2 % общего производства энергии в мире.

Парадоксальная ситуация. Бактерии способны бесплатно делать нечто такое, что в настоящий момент забирает громадную долю мировой энергии.

Вопрос стоит так: могут ли квантовые компьютеры решить задачу эффективного производства удобрений, запустив таким образом Вторую зеленую революцию? Без новой революции в производстве продуктов питания некоторые футуристы предсказывают экологическую катастрофу, поскольку кормить растущее население Земли будет все труднее, что может привести к массовому голоду и продовольственным бунтам по всему миру.

Ученые Microsoft уже предприняли первые попытки при помощи квантовых компьютеров увеличить отдачу от применения удобрений и раскрыть секрет азотфиксации. В конечном итоге квантовые компьютеры способны помочь спасти человеческую цивилизацию от самой себя. Фотосинтез – еще одно чудо природы, при котором солнечный свет и углекислый газ превращаются в кислород и глюкозу, образующие затем основу почти всей жизни животных организмов. Без фотосинтеза пищевая цепочка рвется и жизнь на нашей планете очень быстро исчезла бы.

Ученые десятилетиями пытаются разделить этот процесс на этапы и разгадать все его загадки, проследить все происходящее в нем буквально молекула за молекулой. Но задача превращения света в сахар (глюкозу) – процесс квантово-механический. После многолетних усилий исследователям удалось выяснить, где именно в этом процессе доминируют квантовые эффекты, выводящие его за пределы возможностей цифровых компьютеров. Поэтому даже лучшим нашим химикам до сих пор не удается создать искусственный фотосинтез, который потенциально мог бы оказаться более эффективным, чем природный.

Не исключено, что квантовые компьютеры сумеют помочь нам в создании более эффективного искусственного фотосинтеза или, может быть, совершенно новых способов преобразования энергии солнечного света. Возможно, от этого будут зависеть в будущем наши продовольственные ресурсы.

Рождение квантовой медицины

Итак, квантовые компьютеры способны восстанавливать окружающую среду и растительность. Но, помимо этого, они могли бы лечить больных и умирающих. Квантовые компьютеры в будущем не только одновременно проанализируют эффективность миллионов потенциальных лекарств быстрее любого традиционного компьютера, но и разберутся в природе самой болезни.

Возможно, квантовые компьютеры смогут ответить и на такие вопросы: что заставляет здоровые клетки внезапно перерождаться в раковые и как этот процесс можно остановить? Что вызывает болезнь Альцгеймера? Почему болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз неизлечимы? Совсем недавно коронавирус, как известно, дал несколько мутаций, но насколько опасен каждый из получившихся мутантных вирусов и как они будут реагировать на лечение?

Двумя величайшими открытиями в истории медицины можно считать антибиотики и вакцины. Однако новые антибиотики приходится искать в основном методом проб и ошибок, без точного понимания, как они работают на молекулярном уровне, а вакцины лишь стимулируют человеческий организм на производство химических веществ, которые должны атаковать вторгшийся вирус. В обоих случаях конкретные молекулярные механизмы до сих пор не раскрыты, а квантовые компьютеры, возможно, сумеют подсказать нам, как разрабатывать более качественные вакцины и антибиотики.

Если говорить о понимании нашего организма, то первым гигантским шагом в этом направлении стал проект «Геном человека», в ходе работы над которым был составлен список всех 3 млрд пар оснований и 20 000 генов, входящих в ДНК человека. Но это только начало. Проблема в том, что цифровые компьютеры используются в основном для поиска по обширным базам известных генетически кодов, но эти устройства бессильны, если дело доходит до точного объяснения, как ДНК и белки творят свои чудеса внутри организма. Белки представляют собой сложные объекты, часто состоящие из тысяч атомов, которые вполне конкретными, но необъяснимыми способами складываются в маленький шарик, когда творят свое молекулярное волшебство. На самом фундаментальном уровне вся жизнь является квантово-механической и потому недосягаема для цифровых компьютеров.

Но квантовые компьютеры помогут нам перейти к следующему этапу, на котором мы расшифруем эти механизмы на молекулярном уровне. Они расскажут нам, как все это работает, что позволит ученым создавать новые генетические возможности, новые средства и методы борьбы с неизлечимыми ранее болезнями.

К примеру, фармацевтические корпорации, включая ProteinQure, Digital Health 150, Merck и Biogen, уже организуют исследовательские центры, чтобы разобраться в том, как квантовые компьютеры повлияют на анализ лекарств.

Ученые поражены тем, насколько обширный арсенал молекулярных механизмов создала мать-природа, чтобы сделать возможной жизнь на Земле. Но эти механизмы – побочный продукт случая и бессистемного естественного отбора, действовавшего на протяжении миллиардов лет. Вот почему мы до сих пор страдаем от некоторых неизлечимых болезней и процесса старения. Как только мы поймем, как работают эти молекулярные механизмы, мы сможем использовать квантовые компьютеры для их улучшения или создания новых их вариантов.

Например, если говорить о ДНК-геномике, мы можем использовать компьютеры для распознавания таких генов, как BRCA1 и BRCA2, которые с достаточно высокой вероятностью способны привести к раку груди. Но цифровые компьютеры не в состоянии определить точно, как эти дефектные гены вызывают рак. К тому же они бессильны остановить рак, если он уже начал распространяться по телу. Однако квантовые компьютеры, расшифровав молекулярные хитросплетения нашей иммунной системы, сумеют, возможно, создать новые лекарства и способы лечения для борьбы с этими болезнями.

Еще один пример – болезнь Альцгеймера, которая, как считают некоторые, станет «болезнью века» по мере старения населения Земли. При помощи цифровых компьютеров можно показать, что с этой болезнью связаны мутации определенных генов, таких как ApoE4. Но цифровые компьютеры не в силах объяснить, почему это так.

Одна из основных теорий на этот счет состоит в том, что болезнь Альцгеймера вызывается прионами – определенными неправильно свернутыми амилоидными белками в мозге. Когда такая молекула-мутант сталкивается с другой, нормальной молекулой белка, она заставляет эту молекулу тоже свернуться неправильно. Таким образом, болезнь может передаваться при контакте, хотя ни бактерии, ни вирусы при этом не задействуются. Подозревают, что именно прионы-перерожденцы стоят, возможно, за болезнями Альцгеймера и Паркинсона, боковым амиотрофическим склерозом и целым рядом других неизлечимых болезней, поражающих главным образом пожилых людей.

Так что проблема фолдинга (укладки) белка – одна из важнейших неисследованных областей биологии. По сути дела, в ней, возможно, и заключена тайна жизни как таковой. Но как в точности складывается белковая молекула, не под силу разобраться ни одному традиционному компьютеру. Однако квантовые компьютеры смогут открыть для нас новые способы нейтрализации аномальных белков и снабдить новыми методами лечения.

Кроме того, упоминавшееся выше слияние ИИ и квантовых компьютеров, вполне вероятно, окажется будущим медицины. ИИ-программы, такие как AlphaFold, уже смогли составить подробные схемы атомной структуры 350 000 – поразительное количество! – различных типов белков, включая полный набор белков, из которых состоит человеческое тело. Следующий шаг – выяснить при помощи уникальных возможностей квантовых компьютеров, как эти белки творят свое волшебство, и использовать их для создания нового поколения лекарств и методов лечения.

Уже делаются попытки подключить квантовые компьютеры к нейросетям для создания нового поколения обучаемых машин, способных буквально изобрести самих себя заново. Ноутбук на вашем столе, напротив, никогда не учится. Сегодня он нисколько не мощнее, чем был в прошлом году. Лишь недавно, с появлением и развитием новых методов глубокого обучения, компьютеры начали делать первые шаги к распознаванию ошибок и самообучению. Квантовые компьютеры могли бы экспоненциально ускорить этот процесс и оказать исключительное влияние на медицину и биологию.

Генеральный директор Google Сундар Пичаи сравнивает появление квантовых компьютеров с историческим полетом братьев Райт в 1903 г. Само по себе первое испытание не особенно поражало воображение, поскольку полет длился всего лишь скромные 12 секунд. Но этот короткий полет стал своеобразным триггером. Он положил начало современной авиации, которая, в свою очередь, изменила ход развития человеческой цивилизации.

На кону сейчас стоит ни много ни мало наше будущее. Оно доступно любому, кто сможет построить и использовать квантовый компьютер. Но чтобы по-настоящему понять, какое влияние эта революция окажет на нашу повседневную жизнь, полезно еще раз восстановить в памяти некоторые доблестные деяния прошлого, когда люди пытались исполнить мечту об использовании компьютеров для моделирования и анализа окружающего нас мира.

И все это началось с загадочного объекта возрастом 2000 лет, найденного на дне Средиземного моря.

Глава 2
Конец цифровой эпохи

Одна из самых интригующих и захватывающих тайн Древнего мира пришла к нам из глубин Эгейского моря. В 1901 г. ныряльщики смогли поднять со дна возле острова Антикитера странную и любопытную штуковину. Среди осколков керамики, монет, украшений и статуй, оказавшихся на дне вместе с потерпевшим крушение кораблем, ныряльщики обнаружили объект, который странным образом отличался от прочих. Поначалу он выглядел как бессмысленный кусок камня, покрытый коралловыми наростами.

Но когда наслоения были сняты, археологи начали понимать, что перед ними чрезвычайно редкое, единственное в своем роде сокровище. Оно представляло собой устройство замысловатой конструкции, наполненное шестеренками, колесиками и странными надписями.

По артефактам, найденным внутри корабля, удалось примерно датировать находку; ученые решили, что устройство было изготовлено где-то между 150 и 100 гг. до н. э. Некоторые историки считают, что его везли с Родоса в Рим, чтобы преподнести в дар Юлию Цезарю на триумфальном параде.

В 2008 г. ученые при помощи рентгеновской томографии и поверхностного сканирования с высоким разрешением смогли проникнуть внутрь этого загадочного объекта. Они были поражены: перед ними находилось древнее механическое устройство, невероятно совершенное для своего времени.

Рис. 1. Антикитерский механизм

Две тысячи лет назад греки создали Антикитерский механизм, первый в длинном эволюционном ряду компьютеров; здесь вы видите модель, созданную на базе оригинального устройства. Если Антикитерский механизм означает начало компьютерной технологии, то квантовый компьютер, возможно, представляет собой высшую стадию его эволюции.

Freeth, T., Higgon, D., Dacanalis, A., et al. A Model of the Cosmos in the Ancient Greek Antikythera Mechanism. Sci Rep 11, 5821 (2021)

Нигде в древних записях нет никаких упоминаний о настолько сложном механизме. Исследователи понимали, что эта великолепная машина могла представлять собой венец научного знания Древнего мира. Она была подобна сверхновой звезде, сияние которой дошло до ученых из минувших тысячелетий. Это был древнейший в мире компьютер – устройство, равных которому не появится еще 2000 лет.

Ученые изготовили механические копии этого замечательного устройства. Поворот ручки – и целая серия сложных колесиков и шпенечков приходит в движение впервые за тысячи лет. Механизм имел по крайней мере 37 бронзовых шестеренок. Один комплект шестеренок рассчитывал движение Солнца и Луны. Другой мог предсказывать наступление следующего затмения Солнца. Прибор был настолько чувствительным, что мог рассчитывать даже небольшие отклонения орбиты Луны. Надписи на устройстве представляют собой хронику движения Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера – планет, известных древним людям, но ученые полагают, что еще одна часть устройства, которая до нас не дошла, возможно, реально указывала положение планет в небе в конкретный момент.

С тех пор ученым удалось создать подробные модели внутреннего устройства прибора, которые дали историкам беспрецедентную возможность глубже познакомиться с объемом знаний и мышлением древних. Устройство ознаменовало собой рождение совершенно новой области науки, использующей механические устройства для моделирования Вселенной. Антикитерский механизм – древнейший аналоговый компьютер, устройство, способное проводить вычисления посредством непрерывного механического движения.

Итак, задачей первого в мире компьютера было моделирование движения небесных тел, воспроизведение загадок космоса в устройстве, которое можно было держать в руках. Вместо того чтобы просто смотреть в благоговейном восторге в ночное небо, древние ученые хотели подробно разобраться, как в нем все работает, а это дало бы им дополнительную возможность лучше понять движение небесных тел.

Квантовые компьютеры: идеальная модель

Археологи выяснили, что Антикитерский механизм представлял собой результат попыток наших предков смоделировать космос. Если разобраться, именно эта многовековая потребность моделировать окружающий мир – одна из движущих сил, стоящих за созданием квантового компьютера, а сам он представляет собой высшее достижение 2000 лет усилий, направленных на моделирование всего вокруг, от космоса до атома.

Моделирование – одна из наиболее глубоких потребностей человека. Дети играют в куклы – модели людей, чтобы понять человеческое поведение. Играя в полицейских и бандитов, в учителя и учеников или во врача и пациента, дети моделируют частично общество взрослых, чтобы разобраться в сложных отношениях между людьми.

Как ни печально, должно было пройти немало столетий, прежде чем ученые смогли построить достаточно сложные машины, способные моделировать наш мир так же хорошо, как это делал Антикитерский механизм.

Бэббидж и его разностная машина

С падением Римской империи научный прогресс во многих областях, включая моделирование Вселенной, практически замер.

Только в XIX в. интерес к этому начал постепенно возрождаться. К тому моменту возникло немало насущных практических вопросов, ответить на которые можно было только при помощи механических аналоговых компьютеров.

К примеру, мореходам необходимы были подробные карты и схемы, по которым можно было прокладывать курс кораблей. Им нужны были также устройства, при помощи которых эти карты можно было сделать максимально точными.

Требовались также все более сложные машины, которые помогали бы вести учет в торговле и коммерции, по мере того как люди накапливали все больше капитала. Бухгалтерам приходилось вручную составлять обширные математические таблицы начислений и процентов по кредитам.

Но человек часто допускает дорогостоящие и значимые ошибки, без этого не обойтись. Поэтому интерес к созданию механических суммирующих машин, которые не делали бы подобных ошибок, был весьма острым. По мере усложнения суммирующих машин развернулось неформальное соревнование между предприимчивыми изобретателями за то, чья машина окажется наиболее совершенной.

Возможно, самый смелый из этих проектов принадлежал эксцентричному английскому изобретателю и мечтателю Чарльзу Бэббиджу, которого часто называют отцом компьютера. Он отметился как любитель во множестве абсолютно разных областей, включая живопись и даже политику, но больше всего его занимали числа. К счастью, он родился в богатой семье, так что отец-банкир мог помочь реализовать его самые разнообразные интересы.

Его мечтой было создать самую совершенную вычислительную машину своего времени, которую могли бы использовать банкиры, инженеры, моряки и военные для безошибочного выполнения трудоемких, но важных расчетов. Он ставил перед собой две цели. Как один из членов-учредителей Королевского астрономического общества, он думал о создании машины, которая могла бы следить за движением планет и астрономических тел (следуя, по существу, тем же новаторским путем, каким шли создатели Антикитерского механизма). Также его занимало составление точных навигационных карт для морского судоходства. Англия была одной из мощнейших морских держав, а ошибки в навигационных картах могли стать причиной дорогостоящих катастроф. Бэббидж хотел создать самый мощный среди всех аналогов механический компьютер, чтобы отслеживать движение всего подряд, начиная от планет и заканчивая кораблями в море и процентными ставками.

Он с немалой убедительностью привлекал последователей-энтузиастов, чтобы те помогли в продвижении его амбициозного проекта. Одним из таких последователей стала леди Ада Лавлейс – аристократка и дочь лорда Байрона. Кроме того, она серьезно изучала математику, что было в то время большой редкостью среди женщин. Увидев маленькую работающую модель машины Бэббиджа, она сильно увлеклась этой интереснейшей программой.

Известно, что Лавлейс помогла Бэббиджу ввести в вычислительный процесс несколько новых концепций. Обычно механический вычислитель нуждался в наборе шестеренок и шпеньков, чтобы медленно и методично рассчитывать числа одно за другим. Но для получения таблиц, содержащих тысячи математических чисел разом (таких как логарифмы, процентные ставки и навигационные карты), необходим набор инструкций, который мог бы провести машину через множество последовательных итераций. Иными словами, требовалась программа, которая управляла бы последовательностью действий машины. Так что Лавлейс написала серию подробных инструкций, по которым машина могла систематически генерировать так называемые числа Бернулли, необходимые для проводимых расчетов.

Лавлейс стала в определенном смысле первым в мире программистом. Историки сходятся на том, что Бэббидж, вероятно, понимал важность программного обеспечения и программирования, но именно ее подробные заметки, написанные в 1843 г., представляли собой первый опубликованный образец компьютерной программы.

Кроме того, Лавлейс признавала, что компьютер не просто способен манипулировать числами, как считал Бэббидж, но в обобщенном виде может также описывать символьные концепции из широкого круга областей. Дорон Суэйд пишет: «Ада видела кое-что такое, чего Бэббидж в каком-то смысле увидеть не смог. В мире Бэббиджа его машины были ограничены работой с числами. Лавлейс же видела… что число может представлять и другие сущности, не только количество. Поэтому, если у вас есть машина для манипуляции числами, а эти числа представляют другие вещи, к примеру буквы или музыкальные ноты, то эта машина может по заданным правилам манипулировать символами, среди которых числа – всего лишь один пример»{12}.

В частности, Лавлейс указала, что компьютер можно было бы запрограммировать на создание музыкальных пьес. Она писала, что «машина могла бы сочинять изысканные и техничные музыкальные пьесы любой степени сложности и продолжительности»{13}. Так что компьютер в ее представлении был не просто шикарной суммирующей машиной и предназначался не только для щелканья чисел. Его можно было использовать также для исследования науки, искусства, музыки и культуры. К несчастью, Лавлейс умерла от рака в возрасте 36 лет, не успев развить эти революционные концепции.

Между тем, поскольку денег Бэббиджу хронически не хватало, к тому же он постоянно влезал в споры с коллегами, его мечта о создании самого совершенного механического вычислителя своего времени так никогда и не осуществилась. Когда он умер, многие его схемы и идеи умерли вместе с ним.

В последующие годы ученые не раз пытались выяснить точно, насколько совершенными были его машины. Так, схема одной из незаконченных моделей содержала 25 000 деталей. В построенном виде эта машина весила бы четыре тонны и возвышалась бы почти на два с половиной метра. Он так сильно обогнал свое время, что его машина могла бы манипулировать тысячей 50-значных чисел. Такого гигантского объема памяти не появится у других машин вплоть до 1960 г.

Примерно через 100 лет после смерти Бэббиджа инженеры лондонского Музея науки, опираясь на его схемы и записи, сумели достроить одну из его моделей и представить публике получившийся образец. И эта машина работает, как предсказывал в прошлом столетии Бэббидж.

Полна ли математика?

Пока инженеры строили все более сложные механические вычислители в ответ на потребности развивающегося промышленного мира, чистые математики задавались еще одним вопросом. Еще древнегреческие геометры мечтали продемонстрировать, что все истинные утверждения в математике могут быть строго доказаны.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Комментарии

1

Gordon Lichfield, "Inside the Race to Build the Best Quantum Computer on Earth," MIT Technology Review, February 26, 2020, 1–23.

Вернуться

2

Yuval Boger, interview with Dr. Robert Sutor, The Qubit Guy's Podcast, October 27, 2021; www.classiq.io/insights/podcast-with-dr-robert-sutor.

Вернуться

3

Matt Swayne, "Zapata Chief Says Quantum Machine Learning Is a When, Not an If," The Quantum Insider, July 16, 2020; www.thequantuminsider.com/2020/07/16/zapata-chief-says-quantum-machine-learning-is-a-when-not-an-if/.

Вернуться

4

Daphne Leprince-Ringuet, "Quantum Computers Are Coming, Get Ready for Them to Change Everything," ZD Net, November 2, 2020; www.zdnet.com/article/quantum-computers-are-coming-get-ready-for-them-to-change-everything/.

Вернуться

5

Dashveenjit Kaur, "BMW Embraces Quantum Computing to Enhance Supply Chain," Techwire/Asia, February 1, 2021; www.techwireasia.com/2021/02/bmw-embraces-quantum-computing-to-enhance-supply-chain/.

Вернуться

6

Cade Metz, "Making New Drugs with a Dose of Artificial Intelligence," The New York Times, February 5, 2019; www.nytimes.com/2019/02/05/technology/artificial-intelligence-drug-research-deepmind.html.

Вернуться

7

Ali El Kaafarani, "Four Ways That Quantum Computers Can Change the World," Forbes, July 30, 2021; www.forbes.com/sites/forbestechcouncil/2021/07/30/four-ways-quantum-computing-could-change-the-world/?sh=7054e3664602.

Вернуться

8

"How Quantum Computers Will Transform These 9 Industries," CB Insights, February 23, 2021; www.cbinsights.com/research/quantum-computing-industries-disrupted/.

Вернуться

9

Matthew Hutson, "The Future of Computing," ScienceNews; www.sciencenews.org/century/computer-ai-algorithm-moore-law-ethics.

Вернуться

10

James Dargan, "Neven's Law: Paradigm Shift in Quantum Computers," Hackernoon, July 1, 2019; www.hackernoon.com/nevens-law-paradigm-shift-in-quantum-computers-e6c429ccd1fc.

Вернуться

11

"With $3.1 Billion Valuation, What's Ahead for PsiQuantum?," The Next Platform, July 27, 2021; www.nextplatform.com/2021/07/27/with-3–1b-valuation-whats-ahead-for-psiquantum/.

Вернуться

12

"Our Founding Figures: Ada Lovelace," Tetra Defense, April 17, 2020; www.tetradefense.com/cyber-risk-management/our-founding-figures-ada-lovelace/.

Вернуться

13

"Ada Lovelace," Computer History Museum; www.computerhistory.org/babbage/adalovelace/.

Вернуться

Вернуться