Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

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.