Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё

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 стоит 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} .

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/.

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.