Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Можете ли вы вообразить новую технологию, жизни без которой не смогут представить себе люди завтрашнего дня? Вот мой ответ: квантовые компьютеры. В 1985 году физик Ричард Фейнман сделал следующее наблюдение: существуют физические процессы, про которые известно, что их невозможно за разумное время смоделировать в компьютере; однако природа постоянно моделирует их – попросту их осуществляя. Лошадь представляет собой идеальную квантовую модель лошади, точную от микроскопического до макроскопического масштаба и воспроизводящую все эмерджентные свойства, возникающие между ними. Поэтому, предположил Фейнман, если компьютеры будут использовать квантовую механику, они смогут выполнять некоторые полезные вычисления гораздо быстрее, чем это возможно сейчас.

Область применения таких квантовых компьютеров была бы огромной. Они могли бы точно определять поведение элементарных частиц: сейчас этим занимаются гигантские ускорители, подобные Большому адронному коллайдеру. Им нашлось бы применение в биологии и медицине: например, они могли бы упростить секвенирование геномов, что помогло бы бороться с вновь возникающими вирусами. Их можно было бы использовать для прогнозирования, открытия и даже конструирования лекарств. В химии они могли бы применяться, например, в разработке более совершенных батарей, что сыграло бы жизненно важную роль в устранении нашей зависимости от ископаемого топлива. Они могли бы моделировать молекулы и скорости реакций, а также прогнозировать новые методы синтеза. Сейчас на производство аммиака, использующегося во всем мире в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур, расходуется около 2 % мировой энергии; при этом бактерии способны производить аммиак гораздо эффективнее, и молекулярное моделирование на квантовом компьютере могло бы показать, как это им удается.

Квантовые компьютеры – отнюдь не фантастика. Они уже существуют: в октябре 2019 года исследователи из компании Google опубликовали данные, показывающие, что их квантовый компьютер производит вычисления более чем в три миллиона раз быстрее, чем это под силу самому высокоскоростному суперкомпьютеру в мире. В декабре 2020 года группа из китайского города Хэфэя при помощи квантового компьютера решила за 20 секунд задачу, на решение которой классическими методами ушло бы 600 миллионов лет.

Однако существует одна проблема – кажущаяся невозможность масштабирования квантовых вычислительных систем. С каждым мучительным шагом вперед мы попросту застреваем еще больше, как в паутине. И затрудняет увеличение масштабов квантовых вычислительных систем именно источник их могущества.

Масштабирование – ключ к практическому применению. Например, часто говорят, что паутинный шелк прочнее, чем сталь. Если это так, почему же мы по-прежнему используем сталь, а не паутину? Дело в том, что прочность паутинного шелка не масштабируется. Она порождается связями между молекулами воды на микроскопическом масштабе, и паутинный шелк прочен только при микроскопической толщине. Если увеличить его толщину, молекулы воды останутся прежнего размера, и толстая паутина окажется безнадежно непрочной. Благодаря невероятным достижениям инженерного дела у нас теперь есть квантовые компьютеры, которые соотносятся с классическими так же, как паутинный шелк со сталью: они гораздо лучше, но только на мельчайших масштабах. Более того, масштабирование квантовых компьютеров для их применения к практическим задачам повседневных масштабов представляется сейчас еще более недостижимым, чем масштабирование паутинного шелка.

Мой друг и бывший коллега Стив Саймон, оксфордский профессор теоретической физики конденсированного состояния – один из лучших в мире специалистов по квантовым компьютерам. По его словам, квантовые процессы должны быть свободны от шума, то есть среда, в которой они происходят, должна быть очень холодной и очень чистой. Минимизация шума представляет собой сложную инженерную задачу. В этой области были достигнуты некоторые впечатляющие успехи, но трудность продвижения вперед растет с каждым шагом экспоненциально. Однако Стив отмечает, что может существовать и другая возможность – научиться не замечать шума. Этим путем идет теоретическая физика.

Нам нужен некий метод защиты квантовой информации от разрушительного воздействия внешнего мира. Защитное заклинание, которое мы будем составлять, называется топологией – изучением форм в общем смысле этого слова, в том числе завязывания узлов и проделывания отверстий. Это искусство появилось раньше, чем письменность; чтобы научиться этому заклинанию, нам понадобится усомниться в некоторых представлениях о реальности, которые мы считаем непреложными. Давайте сначала рассмотрим существующую ситуацию и оценим трудности практического применения квантовых компьютеров.

Сад расходящихся тропок