В научном сообществе образовался консенсус, что первый полностью функциональный квантовый компьютер будет готов приблизительно через десять лет — и это событие такого масштаба, что многие эксперты призывают считать годы, оставшиеся до «квантума».
Большинство людей, хотя бы немного знакомых с основными идеями квантовой механики, считают эту область несколько «странноватой», поскольку она иногда озадачивает даже опытных квантовых физиков. В голове появляются картинки людей, ходящих по стенам, путешествующих во времени и общей неопределенности, которая грозит искоренить наши самые привычные представления об истине и реальности. Стандартные измерения становятся бессмысленными.
Учитывая невероятный потенциал квантовых технологий, будет нелишним заявить, что те, кто овладеет этой технологий в будущем, будут иметь существенное преимущество перед теми, кто не овладеет — и касается это политики, финансов, безопасности и многих других сфер. Компании вроде Amazon, Microsoft и Intel с нетерпением ждут внедрения квантовой криптографии, поскольку опасаются, что хакеры постараются добраться до квантовых возможностей и обрушить системы безопасности этих компаний.
И раз уж мы можем сказать, что квантовые вычисления в скором времени точно появятся, нужно понять, что это означает для будущего и какие невероятные новые (и иногда пугающие) возможности принесут квантовые технологии.
Экспоненциальное увеличение вычислительной скорости
Для начала небольшое короткое вступление: компьютер, на котором вы читаете это, работает на тех же базовых технологиях, которые используются практически в каждом компьютере мира. Это конечный двоичный мир, в котором информация закодирована в битах — единицах и нулях — которые могут существовать только в двух состояниях (вкл и выкл). Квантовые вычисления, напротив, используют «кубиты», которые могут существовать в практически бесчисленных состояниях одновременно. (Грубо говоря, n кубитов может существовать в 2n разных состояниях одновременно).
Если скормить обычному компьютеру последовательность из тридцати 0 и 1, будет примерно миллиард возможных значений этой последовательности, и компьютер, использующий обычные биты, должен проходить каждую комбинацию по отдельности, требуя много времени и памяти. С другой стороны, квантовый компьютер мог бы «видеть» все миллиарды последовательностей одновременно, что существенно сокращало бы временные и вычислительные затраты.
По сути, квантовые компьютеры будут способны производить расчеты за секунды, на которые у обычных компьютеров уходили бы тысячи лет.
Поиск новых эффективных препаратов
Благодаря неизбежному росту вычислительной мощности, предсказанной законом Мура, появилось доступное секвенирование ДНК. Но теперь мы вот-вот вступим в эпоху медицины, построенной на квантовых вычислениях.
В то время как на рынке уже и без того много хороших лекарств, скорость с которой они производятся, а также их эффективность, на диво ограничены. Даже с новейшим приростом скорости и точности, они весьма незначительны из-за ограничений стандартных компьютеров.
С организмом, столь сложным, как человеческое тело, существует бесчисленное множество способов, которыми лекарство может реагировать на окружающую среду. Добавьте к этому безграничность генетического разнообразия на молекулярном уровне, и потенциальные исходы для неспецифических лекарственных препаратов резко начинают достигать миллиардных чисел.
И только у квантовых компьютеров будет возможность изучить каждый возможный сценарий взаимодействия с препаратом и представить не только наилучший возможный план действий, но также шансы человека на успешный прием конкретного препарата — за счет комбинации более точного и ускоренного секвенирования ДНК и более точного понимания фолдинга белка.
Эти же самые нововведения, особенно в отношении фолдинга белков, также неизбежно приведут к лучшему пониманию того, как функционирует жизнь в целом, что впоследствии приведет к гораздо более точной трактовке, улучшению препаратов и улучшению результатов.
Безграничная безопасность
Помимо квантовых скачков в медицине, квантовые технологии также дают возможность создать практически невзламываемые методы кибербезопасности и сверхбезопасный обмен данными на длинных расстояниях.
В мире квантовых странностей существует явление под названием «квантовая запутанность», в которой две или более частиц соединяются загадочным образом, независимо от среды, которая существует между ними, и без какой-либо опознаваемой сигнализации. Это то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии». И поскольку нет определенной среды, в которой связываются эти две частицы, сигналы, закодированные с использованием запутанных частиц, невозможно будет перехватить. Наука, необходимая для этой технологии, пока развита недостаточно. Однако продвижение в этом направлении окажет огромное влияние на частную и национальную безопасность.
Резко увеличившаяся вычислительная скорость также будет способствовать развитию кибербезопасности, поскольку экспоненциально большая вычислительная мощность квантовых компьютеров позволит им противостоять даже самым изощренным методам взлома, и это при помощи квантового шифрования.
«Квантовые вычисления безусловно будут применяться везде, где мы используем машинное обучение, облачные вычисления, анализ данных», говорит Кевин Карран, исследователь кибербезопасности в Университете Ольстера. «В области безопасности это означает обнаружение проникновения, поиск паттернов в данных и более сложные формы параллельного вычисления».
Квантовые компьютеры смогут предугадывать «шаги» хакеров в миллионах или миллиардах возможных итерациях.
Безграничный взлом
Конечно, с большой силой появляется и большая ответственность, и так же квантовая мощь, которая позволит осуществлять квантовое шифрование, также позволит хакерами беспроблемно взламывать самые сложные методы безопасности, которые обеспечиваются относительно примитивными машинами.
Сегодня самые сложные криптографические методы, как правило, основаны на чрезвычайно сложных математических задачах. И хотя этих препятствий достаточно, чтобы сдержать большинство бинарных суперкомпьютеров, квантовый компьютер сможет легко их обойти. Способность квантового компьютера находить закономерности в гигантских наборах данных с огромной скоростью позволит ему рассчитывать огромные числа, в то время как обычные компьютеры будут перебирать их по одному за раз. С кубитами и квантовой суперпозицией все возможные варианты будут проверяться одновременно.
Потребовалось почти два года, чтобы сотни компьютеров, работающие одновременно, смогли разблокировать один пример алгоритма RSA-768 (который имел два основных фактора и требовал ключ длиной семьсот шестьдесят восемь битов. Квантовый компьютер справится с этой задачей за секунду.
Точные атомные часы и обнаружение объектов
Атомные часы используются не только для ежедневного отсчета времени. Они являются важным компонентом большинства современных технологий, включая GPS-системы и коммуникационные технологии.
Обычно атомные часы не требуют тонкой настройки. Самые точные атомные часы работают, используя колебания микроволн, испускаемых электронами при изменении уровней энергии. А атомы, используемые в часах, почти охлаждаются для абсолютного нуля, что обеспечивает длительное время микроволнового зондирования и большую точность.
Новейшие атомные часы будут использовать современные квантовые технологии и в скором времени станут настолько точными, что их будут использовать как сверхточные детекторы объектов — они смогут чувствовать мельчайшие изменения в гравитации, магнитных полях, электрических полях, движении, силе, температуре и других явлениях, которые в природе колеблются в присутствии вещества. Эти изменения будут отражаться в изменениях времени. (Не забывайте, что время, пространство, вещество связаны между собой).
Это точно настроенное обнаружение поможет в идентификации и удалении подземных объектов, отслеживании подводных лодок намного ниже поверхности океана и даже сделает навигацию и автоматическое вождение гораздо более точными, поскольку программное обеспечение сможет лучше различать автомобили и другие объекты.
Финансовые рынки
В переплетенном мире финансов, скорость имеет первостепенное значение. И удивительно большое количество проблем, с которыми сталкивается финансовая отрасль (многие из которых связаны с нехваткой вычислительной скорости), остаются неразрешенными. Даже самые мощные обычные компьютеры, использующие 0 и 1, не могут хотя бы примерно спрогнозировать будущие финансовые и экономические события, не говоря уж о том, чтобы решить сложнейшие проблемы, связанные с ценообразованием опционов на быстро меняющемся рынке.
Например, многие опционы требуют сложных производных, зависящих от различных факторов, что означает, что выплата опциона в конечном счете определяется путем изменения цены базового актива. Попытка отобразить и предусмотреть все возможных «пути» опциона слишком сложна для современных машин. Однако, учитывая свою скорость и маневренность, квантовые компьютеры теоретически могли бы идентифицировать неверный ценовой вариант опциона на акции и использовать его для выгоды своего владельца до того, как рынок предпримет какие-либо значимые действия.
Такого рода мощь могла бы, конечно, нанести ущерб рынку и сильно поднять положение небольших фирм, владеющих и управляющих суперкомпьютером — за счет отдельных трейдеров и фирм, неспособных приобрести такие технологии.
Картирование человеческого разума
При всех удивительных достижениях, которые имели место в области нейронауки и сознания за последние несколько десятилетий, ученые до сих пор знают удивительно мало о том, как работает сознание. Но мы, впрочем, знаем, что мозг человека — одна из самых сложных вещей в известной вселенной, и чтобы понять его полностью, необходима вычислительная сила нового типа.
Человеческий мозг состоит из 86 миллиардов нейронов — клеток, которые передают небольшие биты информации за счет активации быстрых электрических зарядов. И хотя электрическая часть работы мозга понятна довольно хорошо, само сознание остается загадкой. «Задача в том», говорит нейробиолог Рафаэль Юсте из Колумбийского университета, «чтобы определить, как физическая подложка клеток, связанных внутри этого органа, относится к нашему умственному миру, нашим мыслям, памяти, ощущениям».
И в попытке понять сознание нейрофизиологи в значительной степени полагались на аналогию с компьютером, поскольку мозг превращает сенсорные данные и вводы в относительно предсказуемые результаты. И что может быть лучше для понимания работы компьютера, чем сам компьютер?
Доктор Кен Хэйворт, невролог, который картирует мышиный мозг, считает, что составление визуализации полного мозга мухи займет примерно один-два года. Но та же идея сопоставления всего человеческого мозга будет просто невыполнима без квантовых вычислений.
Поиск далеких планет
Никого не удивит, что квантовое вычисление будет широко использоваться в освоении космоса, что часто требует анализа огромных наборов данных. Используя квантовые процессоры, охлажденные до 20 милликельвинов (близко к абсолютному нулю), инженеры NASA планируют использовать квантовые компьютеры для разрешения сложнейших задач оптимизации, связанных с миллиардами данных.
Например, ученые NASA смогут использовать крошечные колебания в квантовых волнах, чтобы обнаружить мелкие, едва уловимые перепады тепла в невидимых для нас звездах и, возможно, даже черных дыр.
NASA уже использует общие принципы квантовых вычислений для разработки безопасных и эффективных методов космических путешествий — особенно когда дело доходит до отправки роботов в космос. NASA планирует посылать роботизированные миссии в космос примерно за десять лет, и среди его задач стоит использование квантовой оптимизации для создания сверхточных инструментов прогнозирования того, что может случиться за время миссии — чтобы предупредить любой возможный исход и создать план действий на каждый случай.
Более тщательное и точное планирование роботизированных миссий также приведет к более эффективному использованию батарей, которые выступают одним из основных ограничивающих факторов, когда дело доходит до роботизированных космических миссий.
Генетика
Завершение проекта генома человека в 2003 году привело к появлению новой эпохи в медицине. Благодаря глубокому пониманию генома человека, мы можем адаптировать сложные процедуры специально под конкретные потребности человека.
Несмотря на то, сколько мы уже знаем о тонкостях человеческой ДНК, мы до сих пор поразительно мало знаем о белках, которые кодирует ДНК.
Добавим квантовые расчеты, которые в теории позволят нам составлять «карту белков» так же, как мы собираем карту генов. По сути, квантовые расчеты также позволят нам моделировать сложные молекулярные взаимодействия на атомном уровне, что станет бесценным, если говорить о разработке новых методов медицинских исследований и фармацевтики. Мы могли бы смоделировать 20 000 белков и их взаимодействие с мириадами новых разных препаратов (даже тех, что еще не изобретены) с безукоризненной точностью. Анализ этих взаимодействий, опять же при помощи квантовых вычислений и продвинутых алгоритмов оптимизации, приведет нас к созданию новых методов лечения пока неизлечимых заболеваний.
Скорость квантового вычислений также позволит нам анализировать «квантовые точки» — крошечные полупроводниковые нанокристаллы размером в несколько нанометров, которые сейчас используются на передовой для лечения и обнаружения рака. Также квантовые компьютеры могли бы обнаруживать мутации в ДНК, которые пока кажутся совершенно случайными, и их связь с квантовыми флуктуациями.
Материаловедение и инженерия
Стоит ли говорить, что квантовые вычисления уже привели к массивным последствиям для материаловедения и инженерии, учитывая то, что квантовые расчеты лучше всего подходят для открытий на атомном уровне.
Сила квантовых вычислений позволит использовать все более сложные модели, которые будут отображать, как молекулы собираются и кристаллизуются с образованием новых материалов. Такие открытия, ведущие к созданию новых материалов, впоследствии приведут к созданию новых структур, имеющих последствия в сферах энергетики, борьбы с загрязнением и фармацевтических препаратов.
«Когда инженер строит дамбу или аэроплан, эта структура сперва проектируется при помощи компьютеров. Это чрезвычайно сложно проделать на молекулярном или атомарном масштабе», объясняет Грэм Дэй, профессор химического моделирования в Университете Саутгемптона. «Очень сложно проектировать на атомных масштабах с нуля и уровень неудачи в процессе обнаружения новых материалов очень высок. По мере того, как физики и химики пытаются открыть новые материалы, они часто чувствуют себя в роли путешественников без надежной карты».
Квантовые вычисления смогут обеспечить весьма «надежную карту», позволив ученым имитировать и анализировать атомные взаимодействия с невероятной точностью, что в свою очередь приведет к созданию совершенно новых и более эффективных материалов — без проб и ошибок, неизбежно возникающих при попытке построить новые материалы в более широком масштабе. Это означает, что мы сможем найти и создать лучшие сверхпроводники, более мощные магниты, лучшие источники энергии и многое другое.
