Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

В результате суперпозиции две отдаленные части большой системы, которые, как ожидается, были несвязанными, на самом деле коррелируют из-за нелокальной природы квантово-механических взаимодействий. Такое взаимосвязанное поведение называется «запутанность». В том числе поэтому Альберта Эйнштейна, одного из создателей квантовой теории, не устраивали ее выводы. Он понял, что если отделить запутанную часть такой системы, даже если отнести ее на огромное расстояние, она все равно будет описываться той же волновой функцией и, таким образом, останется мгновенно коррелированной. Сегодня мы знаем, что это «жуткое дальнодействие», как он его назвал, действительно происходит в квантовых системах[554].

Квантовые вычисления основаны на предпосылке, что мы можем поддерживать эти запутанные суперпозиции состояний во время квантовых параллельных вычислений и получать ответ, когда происходит измерение. Таким образом, квантовый компьютер организует суперпозицию, запутанность и интерференцию, чтобы одновременно исследовать огромное количество возможностей и в конечном итоге прийти к решению или решениям.

Новые возможности манят. В журнале Science Питер Лав, сейчас работающий в Университете Тафтса, Алан Аспуру-Гузик из Университета Торонто и коллеги показали потенциал квантовых вычислений для решения больших задач электронной структуры, где электронная структура молекулы состоит из коллективного поведения электронов, которые связывают молекулу воедино[555]. Решения позволят химикам рассчитать энергию, необходимую для создания или разрушения молекулы, что имеет решающее значение, например, при определении того, насколько хорошо лекарство может действовать в организме.

Однако электронную структуру молекулы трудно рассчитать, требуя определения всех потенциальных состояний, в которых могут находиться электроны молекулы, а также вероятности каждого состояния. Поскольку электроны взаимодействуют и запутываются друг с другом, их нельзя рассматривать индивидуально. Чем больше электронов, тем больше запутанностей возникает, и проблема становится, по крайней мере, экспоненциально сложнее. Точных решений для молекул сложнее, чем два электрона в паре атомов водорода, не существует.

Если квантовые компьютеры смогут определить электронные структуры более сложных молекул, чем молекулярный водород, они смогут дать «точное» описание взаимодействия молекул-кандидатов лекарства с целевыми белками (хотя, конечно, это может быть точность с точки зрения молекул и мишеней, но не с точки зрения условий, обнаруженных в переполненных клетках пациента). Как мы видели на примере многомасштабного моделирования, можно совместить этот подход с классическим моделированием за пределами квантовой части, чтобы наилучшим образом использовать ограниченное количество кубитов. Поскольку многие группы, такие как группа Питера из Университетского колледжа Лондона, также используют машинное обучение для ускорения цикла разработки лекарств, есть надежды, что квантовое машинное обучение сможет подстегнуть эту работу.

Подобным образом квантовые компьютеры могли бы ускорить развитие виртуального человека, моделируя ферментативные реакции, происходящие в организме. Можно будет снова попытаться использовать квантовые вычисления для ускорения реакций электронной структуры в сердцевине активного центра фермента, оставив остальную часть моделирования классическим вычислениям. Это позволило бы быстрее моделировать и симулировать то, как функционируют ферменты, и, таким образом, лучше понять крупномасштабные сети химических реакций, которые доминируют в химии внутри наших клеток.

Расцвет квантовой машины

Мощь квантовых машин продолжает расти, хотя до их участия в создании виртуального человека еще далеко. В 1998 г. Исаак Чанг из Лос-Аламосской национальной лаборатории, Нил Гершенфельд из Массачусетского технологического института и Марк Кубинец из Калифорнийского университета в Беркли создали первый (2-кубитный) квантовый компьютер, в который можно было загружать данные, а затем выводить решение. Два десятилетия спустя IBM представила первый 50-кубитный квантовый компьютер, внешний вид которого некоторые комментаторы сравнили с «люстрой в стиле стимпанк». К 2021 г. один китайский производитель, Shenzhen SpinQ Technology, анонсировал первый настольный квантовый компьютер, хоть и имеющий всего 2 кубита, а процессор IBM Eagle достиг 127 кубитов. Однако для реализации надежд Фейнмана в серьезной квантовой химии потребуются квантовые компьютеры, обладающие сотнями надежных кубитов.

Квантовые компьютеры бывают разных видов, поскольку в качестве кубита можно использовать любую двухуровневую квантово-механическую систему – от спина электрона или ядра до поляризации фотона. Существует много разных типов квантовых компьютеров, в зависимости от типов кубитов, того, как ими манипулировать и как запутывать атомы. Как любит говорить Сет Ллойд, все зависит от того, как заряжать атомы[556].