Если вас впечатлила квантовая революция XX века, то что же вы скажете, когда увидите, что нам готовит век XXI? Мы не только получили возможность создать более умные игрушки, которые, как считают некоторые, только усложняют нашу жизнь; они помогут нам решить некоторые важнейшие проблемы человечества и совершенно потрясающе трансформировать наш мир. Одним из самых интересных примеров применения открытий в физике, несомненно, является квантовый компьютер. Он будет совершенно иным, нежели наш обычный компьютер, и позволит решить множество задач, которые сейчас недостижимы даже с помощью самых мощных суперкомпьютеров. Квантовые компьютеры, как ожидается, помогут человечеству совершить прорыв в науке, особенно в паре с искусственным интеллектом.

Квантовые компьютеры используют самые парадоксальные особенности квантового мира. Классическая вычислительная техника основана на том, что информация хранится и обрабатывается в виде битов (обозначающих бинарный код). Один бит информации может иметь два значения: ноль или единицу. Сочетания электронных переключателей, соответствующих биту информации, где каждый или включен, или выключен, используются для создания логических вентилей – строительных блоков логических схем. В отличие от них квантовые компьютеры оперируют так называемыми квантовыми битами, то есть кубитами, которые не ограничены одним из этих бинарных состояний. Кубит может находиться в квантовой суперпозиции, которая включает одновременно и ноль, и единицу и, таким образом, может хранить гораздо больше информации.

Простейшим примером кубита является электрон, квантовый спин которого может быть направлен либо параллельно (верхний спин) либо антипараллельно (нижний спин) приложенному магнитному полю. Если затем дать дополнительный электромагнитный импульс, он превратит спин электрона из параллельного (0) в антипараллельный (1). Однако, поскольку электрон является квантовой частицей, электромагнитный импульс может отправить его в состояние суперпозиции верхнего (0) и нижнего (1) спина одновременно. Два запутанных электрона могут оказаться в суперпозиции четырех возможных состояний одновременно – 00, 01, 10 и 11. Если кубитов много, можно разработать сложнейшую квантовую логику.

Если множество кубитов оказываются запутанными, они способны начать действовать согласованно и одновременно обрабатывать множество опций, что дает результат гораздо более мощный, чем в случае с битами. Однако с реализацией такого устройства могут возникнуть проблемы. Квантовые запутанные состояния – штука чрезвычайно нежная; такое состояние можно поддерживать только в течение очень короткого времени и при наличии определенных условий. Проблема не только в том, чтобы изолировать и защитить их от влияния окружающей среды, которая нарушает квантовую согласованность, но и в способности контролировать входящую и выходящую информацию, обрабатываемую кубитами. А эта задача усложняется по мере роста числа запутанных кубитов. Когда вычислительная операция закончена, выбирается одно из возможных финальных состояний в суперпозиции кубитов, которое надо затем усилить, чтобы считать с помощью какого-нибудь макроскопического (классического) прибора. И это далеко не единственная проблема при разработке квантовых компьютеров, которую нам еще предстоит решить.

Несмотря на все эти сложности, многие исследовательские лаборатории в мире сегодня борются за первенство в создании квантового компьютера. Не так давно еще вообще не было ясно, можно ли в принципе создать такое устройство; теперь ученые говорят о том, что их мечта может исполниться в следующие пару десятилетий, а простейшие прототипы уже существуют. Сейчас известно множество различных подходов к созданию квантового компьютера, и пока не совсем понятно, какой из них удастся осуществить на практике. Как правило, кубиты можно получить на основе любых субатомных частиц, которые ведут себя по законам квантового мира и способны запутываться, – таких частиц, как электроны, или фотоны, или ионы, зависшие в электромагнитном поле, или атомы, пойманные в лазерную ловушку, или специальные жидкие и твердые вещества, квантовый спин атомных ядер которых можно контролировать с использованием ядерного магнитного резонанса.

Такие компьютерные гиганты, как IBM и Google, в настоящее время конкурируют в создании первого квантового компьютера, однако пока никто из них не смог создать стабильную мультикубитную систему, которая могла бы продержаться достаточно долго, чтобы сделать квантовые вычисления практически осуществимыми. Есть еще много более мелких компаний-стартапов, которые работают над этой проблемой. Некоторые уделяют основное внимание вопросу стабильности, а другие пытаются повысить количество запутанных кубитов. Однако дело движется, и я убежден, что доживу до того момента, когда квантовые вычисления станут повседневной реальностью.

Важно подчеркнуть, что трудность представляет не только разработка матчасти. Для квантовых компьютеров также понадобится собственное программное обеспечение, а квантовых алгоритмов еще маловато. Самые известные примеры – это алгоритм факторизации Шора и алгоритм Гровера. Уже доказано, что они позволят квантовым компьютерам работать эффективнее классических в некоторых неожиданных направлениях. Они никоим образом не могут заменить наши обычные компьютеры в решении всех задач, но очень хорошо приспособлены для решения математических задач. В нашей повседневной жизни мы продолжим использовать все более мощные и быстрые классические компьютеры, особенно когда нам покорятся рубежи искусственного интеллекта, облачных технологий и интернета вещей (в том смысле, что многие приборы у нас дома будут связаны и смогут разговаривать друг с другом). А еще классические компьютеры продолжат обрабатывать терриконы накапливаемых нами данных.

Однако существуют проблемы, которые невозможно решить даже с помощью самых мощных классических компьютеров будущего. Прелесть квантовых компьютеров в том, что скорость обработки ими данных возрастает экспоненциально с ростом количества кубитов. Рассмотрим информационное содержание трех неквантовых переключателей. Каждый может представлять собой либо 0, либо 1, так что в результате возможно восемь различных комбинаций: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Однако три запутанных кубита дают нам возможность сохранять сразу все восемь комбинаций. Каждая из трех цифр одновременно представляет собой и 0, и 1. На классическом компьютере количество информации экспоненциально растет с увеличением количества битов. Поэтому N битов означает 2^N различных состояний. Квантовый компьютер с N кубитами использует все 2^N состояний сразу – уровень параллельной обработки, которого классический компьютер просто не способен достичь.

Квантовые компьютеры будут когда-нибудь использоваться для решения задач в широком диапазоне дисциплин – в математике, химии, медицине и в создании искусственного интеллекта. Химики с нетерпением ждут, когда можно будет использовать квантовые компьютеры для моделирования сложных химических реакций. В 2016 году Google разработала примитивное квантовое устройство, с помощью которого удалось впервые смоделировать молекулу водорода, а после этого IBM удалось исследовать поведение более сложных молекул. Кажется логичным, что для понимания квантового мира нужно пользоваться квантовым моделированием. В конце концов, рыбак рыбака видит издалека. Исследователи надеются, что квантовое моделирование позволит создавать синтетические молекулы и разрабатывать новые лекарства. В сельском хозяйстве химики могли бы пользоваться квантовыми компьютерами для получения новых катализаторов для удобрений, которые дадут возможность уменьшить выбросы парниковых газов и усовершенствовать производство пищевых продуктов.

В области искусственного интеллекта квантовые компьютеры резко ускорят решение комплексных проблем оптимизации в машинном обучении. Это совершенно необходимо в целом ряде промышленных отраслей, где ключевой задачей является увеличение производительности и эффективности труда. В этом случае квантовые компьютеры революционизируют область системного проектирования, способствуя рационализации производства и сокращению отходов. В ближайшем будущем квантовые инженеры станут специалистами во многих областях – от квантовой механики и электроники до системного проектирования, искусственного интеллекта и вычислительной техники.

И самым интересным для меня лично (надеюсь, я до этого доживу) представляется то, что к середине XXI века квантовые компьютеры могут научиться управлять программами искусственного интеллекта, которые наконец позволят получить ответы на важнейшие вопросы фундаментальной физики. Именно они, а не люди, возможно, совершат главный прорыв.

Есть еще одна причина, по которой я выбрал в качестве примера технологии будущего именно квантовые компьютеры. Ряд физиков-теоретиков считают квантовую вычислительную технику своей последней надеждой. Причина в том, что квантовый компьютер по самой своей природе подходит для моделирования квантового мира и способен даже помочь определить, какая теория квантовой гравитации является верной.

Я надеюсь, что эта книга позволит вам почувствовать значимость физики в прошлом, настоящем и будущем. Последнюю главу я решил посвятить тому, что физики и вообще любые специалисты в точных науках думают о мире, и тому, как мы его познаем. Другими словами, как работает эта громадная система – наука, как получают знания и почему мы должны в науку верить.