Сейчас всех манит еще один вид вычислительной машины: квантовый компьютер. Предполагается, что эти компьютеры будут обладать замечательными свойствами, которые, если их реализовать, также могут ускорить создание виртуального человека.
Причина кроется в том, что в квантовой области атомов и молекул реальность описывается учеными с точки зрения математических объектов, называемых волновыми функциями, которые открывают глубокие новые возможности для вычислений и, в свою очередь, для виртуального человека. Эти функции, по сути, содержат все возможности того, с чем мы можем столкнуться, когда проводим наблюдение. Однако после проведения измерения вы получите только один результат. В хрестоматийном примере это то, как частицы света – фотоны – после прохождения через двойную щель создают на датчиках интерференционную картину из ярких и темных полос. Схема показывает, что каждая частица на самом деле представляет собой волну, которая проходит через обе щели одновременно, создавая два волновых фронта, которые сходятся и интерферируют, усиливая друг друга в определенных местах и тускнея между ними. Каждая частица с наибольшей вероятностью материализуется в областях наибольшей яркости, но, что примечательно, если добавить второй датчик, чтобы определить, через какую щель проходит каждая частица, интерференционная картина исчезнет. То же самое касается и электронов.
Рисунок 47. Эксперимент с двумя щелями с использованием электронов (адаптировано из работы Йоханнеса Каллиауэра; Wikimedia Commons, cc0 1.0)
В 1926 г. немецкий физик Макс Борн (1882–1970) предложил интерпретацию этого результата, которая указывает на то, что корень всей реальности должен быть выражен в терминах вероятностей, а не достоверностей. В следующем году его земляк Вернер Гейзенберг (1901–1976) опубликовал свой принцип неопределенности, который гласит, что точное измерение одного свойства атома ограничивает точность измерения другого.
Интерпретация Борна радикальней, чем кажется, и дает представление о том, почему квантовая механика столь своеобразна: переменные в уравнениях Ньютона относятся к объективным свойствам, таким как масса или скорость пушечного ядра, но, согласно правилу Борна (которое, кстати, мы еще не знаем, как обосновать)[548], волновая функция частицы света – фотона – показывает, какой результат мы могли бы получить, если бы провели измерение.
В момент наблюдения или измерения, когда регистрируется фотон, волновая функция схлопывается до актуальной, согласно «копенгагенской интерпретации», разработанной датским ученым Нильсом Бором (1885–1962). Это контрастирует с традиционной интерпретацией «классической» физики как строго детерминистской (хотя, как мы видели, динамический хаос размывает понятие того, что мы подразумеваем под детерминизмом).
Несмотря на важность своего волнового уравнения, Шрёдингер в массовой культуре известен скорее благодаря мысленному эксперименту, который придумал в 1935 г., чтобы показать, почему описание атомного мира, данное квантовой механикой, откровенно нелепо; он также помогает показать, почему современные квантовые компьютеры обладают такими необычными свойствами.
Шрёдингер представил кота, запертого в ящике вместе с радиоактивным атомом, соединенным с колбой с ядом. Если атом распадется, колба разбивается, а кот погибает. Однако пока ящик закрыт, мы не знаем, распался атом или нет, а это означает, что он существует в комбинации распавшегося и нераспавшегося состояний. Пока кто-нибудь не заглянет внутрь, кот ни жив, ни мертв; он находится в так называемой «суперпозиции», одновременно живой и мертвый. Только в тот момент, когда мы открываем ящик и заглядываем, то есть проводим измерение, волновая функция «схлопывается» в одну реальность. Аналогично, в квантовом компьютере биты состоят не из 0 или 1, а из кубитов, состоящих из 0 и 1 – до тех пор, пока не потребуется ответ.
Есть и другие способы интерпретировать то, что мы подразумеваем под «измерением». Радикально иную точку зрения опубликовал в 1957 г. американский физик Хью Эверетт III (1930–1982): Вселенная постоянно разделяется на множество новых, так что коллапса не происходит. Происходят все возможные результаты экспериментальных измерений, каждый из которых реализуется в отдельной параллельной вселенной. Если принять интерпретацию Эверетта, наша Вселенная включена в постоянно растущую массу параллельных вселенных. Каждый раз, когда происходит событие на квантовом уровне (например, распад радиоактивного атома или частица света, падающая на сетчатку), Вселенная должна «разделиться» на различные подвселенные. Английский физик Пол Дэвис однажды пошутил, что поразительная идея Эверетта щедра на предположения, но дорого обходится вселенным[549].
Несмотря на дебаты о том, как понимать квантовую механику, теория оказалась успешной в описании атомной области, и в 1980-х гг. ученых осенило, что она применима и к вычислениям: Алан Тьюринг работал с классической физикой, и, как следствие, его универсальный компьютер не был таким уж универсальным. Расширив новаторскую работу Тьюринга, Ричард Фейнман[550], Пол Бениофф и Юрий Манин заложили основу для квантовых вычислений.
В 1985 г. британский физик Дэвид Дойч предложил универсальный компьютер, основанный на квантовой физике, обладающий вычислительной мощностью, которую классический компьютер Тьюринга (даже в теории) не мог моделировать[551]. Почти десять лет спустя математик Питер Шор, работая в Bell Labs, показал, что вычисления, которые заняли бы у классического (то есть неквантового) компьютера больше времени, чем история Вселенной, с помощью квантового компьютера могут быть выполнены за разумное время[552]. Примерно в то же время в Лос-Аламосской национальной лаборатории Сет Ллойд, ныне профессор Массачусетского технологического института, предложил первую технологически осуществимую конструкцию рабочего квантового компьютера[553].
Квантовые компьютеры предлагают исключительные возможности для виртуального человека, поскольку основаны на принципиально новом способе обработки информации. В «классических» компьютерах, населяющих наши дома, офисы и карманы, информация принимает форму битов со значением 1 или 0. Квантовые компьютеры же манипулируют кубитами, которые могут одновременно представлять как 1, так и 0. Подобно коту Шрёдингера, 1 и 0 находятся в «суперпозиции», которая не является ни 0, ни 1.
Квантовые компьютеры в принципе должны быть идеальными для химии и биохимии, как и подозревал Фейнман, поскольку квантовая механика используется для определения того, как электроны танцуют вокруг молекулы (для расчета ее электронного состояния). Для этого приходится иметь дело с так называемым гильбертовым пространством – абстрактной ареной, на которой происходит квантовая обработка информации. На классическом компьютере это затруднительно, поскольку гильбертово пространство расширяется экспоненциально по мере увеличения размера молекулы, в частности числа содержащихся в ней электронов и орбиталей. Это создает особые проблемы для моделирования химии клетки, где «рабочими лошадками» являются очень большие молекулы – белки.
Алгоритмическая сложность наиболее точных расчетов электронной структуры факториально масштабируется в зависимости от количества орбиталей (это хуже, чем экспоненциально, поскольку она растет путем умножения на возрастающую величину, а не на постоянную). По сравнению с классическим, в квантовом компьютере относительно небольшое количество кубитов может удовлетворить эту огромную потребность в памяти. Расчеты электронной структуры масштабируются только линейно в зависимости от количества кубитов, и волновая функция распределяется по ним всем; тогда как на классическом компьютере потребуется экспоненциально растущая память, что недосягаемо для любой такой машины.
В результате суперпозиции две отдаленные части большой системы, которые, как ожидается, были несвязанными, на самом деле коррелируют из-за нелокальной природы квантово-механических взаимодействий. Такое взаимосвязанное поведение называется «запутанность». В том числе поэтому Альберта Эйнштейна, одного из создателей квантовой теории, не устраивали ее выводы. Он понял, что если отделить запутанную часть такой системы, даже если отнести ее на огромное расстояние, она все равно будет описываться той же волновой функцией и, таким образом, останется мгновенно коррелированной. Сегодня мы знаем, что это «жуткое дальнодействие», как он его назвал, действительно происходит в квантовых системах[554].
Квантовые вычисления основаны на предпосылке, что мы можем поддерживать эти запутанные суперпозиции состояний во время квантовых параллельных вычислений и получать ответ, когда происходит измерение. Таким образом, квантовый компьютер организует суперпозицию, запутанность и интерференцию, чтобы одновременно исследовать огромное количество возможностей и в конечном итоге прийти к решению или решениям.
Новые возможности манят. В журнале Science Питер Лав, сейчас работающий в Университете Тафтса, Алан Аспуру-Гузик из Университета Торонто и коллеги показали потенциал квантовых вычислений для решения больших задач электронной структуры, где электронная структура молекулы состоит из коллективного поведения электронов, которые связывают молекулу воедино[555]. Решения позволят химикам рассчитать энергию, необходимую для создания или разрушения молекулы, что имеет решающее значение, например, при определении того, насколько хорошо лекарство может действовать в организме.
Однако электронную структуру молекулы трудно рассчитать, требуя определения всех потенциальных состояний, в которых могут находиться электроны молекулы, а также вероятности каждого состояния. Поскольку электроны взаимодействуют и запутываются друг с другом, их нельзя рассматривать индивидуально. Чем больше электронов, тем больше запутанностей возникает, и проблема становится, по крайней мере, экспоненциально сложнее. Точных решений для молекул сложнее, чем два электрона в паре атомов водорода, не существует.
Если квантовые компьютеры смогут определить электронные структуры более сложных молекул, чем молекулярный водород, они смогут дать «точное» описание взаимодействия молекул-кандидатов лекарства с целевыми белками (хотя, конечно, это может быть точность с точки зрения молекул и мишеней, но не с точки зрения условий, обнаруженных в переполненных клетках пациента). Как мы видели на примере многомасштабного моделирования, можно совместить этот подход с классическим моделированием за пределами квантовой части, чтобы наилучшим образом использовать ограниченное количество кубитов. Поскольку многие группы, такие как группа Питера из Университетского колледжа Лондона, также используют машинное обучение для ускорения цикла разработки лекарств, есть надежды, что квантовое машинное обучение сможет подстегнуть эту работу.
Подобным образом квантовые компьютеры могли бы ускорить развитие виртуального человека, моделируя ферментативные реакции, происходящие в организме. Можно будет снова попытаться использовать квантовые вычисления для ускорения реакций электронной структуры в сердцевине активного центра фермента, оставив остальную часть моделирования классическим вычислениям. Это позволило бы быстрее моделировать и симулировать то, как функционируют ферменты, и, таким образом, лучше понять крупномасштабные сети химических реакций, которые доминируют в химии внутри наших клеток.