Читать книгу "Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё"

Итак, квантовые компьютеры способны восстанавливать окружающую среду и растительность. Но, помимо этого, они могли бы лечить больных и умирающих. Квантовые компьютеры в будущем не только одновременно проанализируют эффективность миллионов потенциальных лекарств быстрее любого традиционного компьютера, но и разберутся в природе самой болезни.

Возможно, квантовые компьютеры смогут ответить и на такие вопросы: что заставляет здоровые клетки внезапно перерождаться в раковые и как этот процесс можно остановить? Что вызывает болезнь Альцгеймера? Почему болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз неизлечимы? Совсем недавно коронавирус, как известно, дал несколько мутаций, но насколько опасен каждый из получившихся мутантных вирусов и как они будут реагировать на лечение?

Двумя величайшими открытиями в истории медицины можно считать антибиотики и вакцины. Однако новые антибиотики приходится искать в основном методом проб и ошибок, без точного понимания, как они работают на молекулярном уровне, а вакцины лишь стимулируют человеческий организм на производство химических веществ, которые должны атаковать вторгшийся вирус. В обоих случаях конкретные молекулярные механизмы до сих пор не раскрыты, а квантовые компьютеры, возможно, сумеют подсказать нам, как разрабатывать более качественные вакцины и антибиотики.

Если говорить о понимании нашего организма, то первым гигантским шагом в этом направлении стал проект «Геном человека», в ходе работы над которым был составлен список всех 3 млрд пар оснований и 20 000 генов, входящих в ДНК человека. Но это только начало. Проблема в том, что цифровые компьютеры используются в основном для поиска по обширным базам известных генетически кодов, но эти устройства бессильны, если дело доходит до точного объяснения, как ДНК и белки творят свои чудеса внутри организма. Белки представляют собой сложные объекты, часто состоящие из тысяч атомов, которые вполне конкретными, но необъяснимыми способами складываются в маленький шарик, когда творят свое молекулярное волшебство. На самом фундаментальном уровне вся жизнь является квантово-механической и потому недосягаема для цифровых компьютеров.

Но квантовые компьютеры помогут нам перейти к следующему этапу, на котором мы расшифруем эти механизмы на молекулярном уровне. Они расскажут нам, как все это работает, что позволит ученым создавать новые генетические возможности, новые средства и методы борьбы с неизлечимыми ранее болезнями.

К примеру, фармацевтические корпорации, включая ProteinQure, Digital Health 150, Merck и Biogen, уже организуют исследовательские центры, чтобы разобраться в том, как квантовые компьютеры повлияют на анализ лекарств.

Ученые поражены тем, насколько обширный арсенал молекулярных механизмов создала мать-природа, чтобы сделать возможной жизнь на Земле. Но эти механизмы – побочный продукт случая и бессистемного естественного отбора, действовавшего на протяжении миллиардов лет. Вот почему мы до сих пор страдаем от некоторых неизлечимых болезней и процесса старения. Как только мы поймем, как работают эти молекулярные механизмы, мы сможем использовать квантовые компьютеры для их улучшения или создания новых их вариантов.

Например, если говорить о ДНК-геномике, мы можем использовать компьютеры для распознавания таких генов, как BRCA1 и BRCA2, которые с достаточно высокой вероятностью способны привести к раку груди. Но цифровые компьютеры не в состоянии определить точно, как эти дефектные гены вызывают рак. К тому же они бессильны остановить рак, если он уже начал распространяться по телу. Однако квантовые компьютеры, расшифровав молекулярные хитросплетения нашей иммунной системы, сумеют, возможно, создать новые лекарства и способы лечения для борьбы с этими болезнями.

Еще один пример – болезнь Альцгеймера, которая, как считают некоторые, станет «болезнью века» по мере старения населения Земли. При помощи цифровых компьютеров можно показать, что с этой болезнью связаны мутации определенных генов, таких как ApoE4. Но цифровые компьютеры не в силах объяснить, почему это так.

Одна из основных теорий на этот счет состоит в том, что болезнь Альцгеймера вызывается прионами – определенными неправильно свернутыми амилоидными белками в мозге. Когда такая молекула-мутант сталкивается с другой, нормальной молекулой белка, она заставляет эту молекулу тоже свернуться неправильно. Таким образом, болезнь может передаваться при контакте, хотя ни бактерии, ни вирусы при этом не задействуются. Подозревают, что именно прионы-перерожденцы стоят, возможно, за болезнями Альцгеймера и Паркинсона, боковым амиотрофическим склерозом и целым рядом других неизлечимых болезней, поражающих главным образом пожилых людей.

Так что проблема фолдинга (укладки) белка – одна из важнейших неисследованных областей биологии. По сути дела, в ней, возможно, и заключена тайна жизни как таковой. Но как в точности складывается белковая молекула, не под силу разобраться ни одному традиционному компьютеру. Однако квантовые компьютеры смогут открыть для нас новые способы нейтрализации аномальных белков и снабдить новыми методами лечения.

Кроме того, упоминавшееся выше слияние ИИ и квантовых компьютеров, вполне вероятно, окажется будущим медицины. ИИ-программы, такие как AlphaFold, уже смогли составить подробные схемы атомной структуры 350 000 – поразительное количество! – различных типов белков, включая полный набор белков, из которых состоит человеческое тело. Следующий шаг – выяснить при помощи уникальных возможностей квантовых компьютеров, как эти белки творят свое волшебство, и использовать их для создания нового поколения лекарств и методов лечения.

Уже делаются попытки подключить квантовые компьютеры к нейросетям для создания нового поколения обучаемых машин, способных буквально изобрести самих себя заново. Ноутбук на вашем столе, напротив, никогда не учится. Сегодня он нисколько не мощнее, чем был в прошлом году. Лишь недавно, с появлением и развитием новых методов глубокого обучения, компьютеры начали делать первые шаги к распознаванию ошибок и самообучению. Квантовые компьютеры могли бы экспоненциально ускорить этот процесс и оказать исключительное влияние на медицину и биологию.

Генеральный директор Google Сундар Пичаи сравнивает появление квантовых компьютеров с историческим полетом братьев Райт в 1903 г. Само по себе первое испытание не особенно поражало воображение, поскольку полет длился всего лишь скромные 12 секунд. Но этот короткий полет стал своеобразным триггером. Он положил начало современной авиации, которая, в свою очередь, изменила ход развития человеческой цивилизации.

На кону сейчас стоит ни много ни мало наше будущее. Оно доступно любому, кто сможет построить и использовать квантовый компьютер. Но чтобы по-настоящему понять, какое влияние эта революция окажет на нашу повседневную жизнь, полезно еще раз восстановить в памяти некоторые доблестные деяния прошлого, когда люди пытались исполнить мечту об использовании компьютеров для моделирования и анализа окружающего нас мира.

И все это началось с загадочного объекта возрастом 2000 лет, найденного на дне Средиземного моря.

Глава 2
Конец цифровой эпохи

Одна из самых интригующих и захватывающих тайн Древнего мира пришла к нам из глубин Эгейского моря. В 1901 г. ныряльщики смогли поднять со дна возле острова Антикитера странную и любопытную штуковину. Среди осколков керамики, монет, украшений и статуй, оказавшихся на дне вместе с потерпевшим крушение кораблем, ныряльщики обнаружили объект, который странным образом отличался от прочих. Поначалу он выглядел как бессмысленный кусок камня, покрытый коралловыми наростами.

Но когда наслоения были сняты, археологи начали понимать, что перед ними чрезвычайно редкое, единственное в своем роде сокровище. Оно представляло собой устройство замысловатой конструкции, наполненное шестеренками, колесиками и странными надписями.

По артефактам, найденным внутри корабля, удалось примерно датировать находку; ученые решили, что устройство было изготовлено где-то между 150 и 100 гг. до н. э. Некоторые историки считают, что его везли с Родоса в Рим, чтобы преподнести в дар Юлию Цезарю на триумфальном параде.

В 2008 г. ученые при помощи рентгеновской томографии и поверхностного сканирования с высоким разрешением смогли проникнуть внутрь этого загадочного объекта. Они были поражены: перед ними находилось древнее механическое устройство, невероятно совершенное для своего времени.

Рис. 1. Антикитерский механизм

Две тысячи лет назад греки создали Антикитерский механизм, первый в длинном эволюционном ряду компьютеров; здесь вы видите модель, созданную на базе оригинального устройства. Если Антикитерский механизм означает начало компьютерной технологии, то квантовый компьютер, возможно, представляет собой высшую стадию его эволюции.

Freeth, T., Higgon, D., Dacanalis, A., et al. A Model of the Cosmos in the Ancient Greek Antikythera Mechanism. Sci Rep 11, 5821 (2021)

Нигде в древних записях нет никаких упоминаний о настолько сложном механизме. Исследователи понимали, что эта великолепная машина могла представлять собой венец научного знания Древнего мира. Она была подобна сверхновой звезде, сияние которой дошло до ученых из минувших тысячелетий. Это был древнейший в мире компьютер – устройство, равных которому не появится еще 2000 лет.

Ученые изготовили механические копии этого замечательного устройства. Поворот ручки – и целая серия сложных колесиков и шпенечков приходит в движение впервые за тысячи лет. Механизм имел по крайней мере 37 бронзовых шестеренок. Один комплект шестеренок рассчитывал движение Солнца и Луны. Другой мог предсказывать наступление следующего затмения Солнца. Прибор был настолько чувствительным, что мог рассчитывать даже небольшие отклонения орбиты Луны. Надписи на устройстве представляют собой хронику движения Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера – планет, известных древним людям, но ученые полагают, что еще одна часть устройства, которая до нас не дошла, возможно, реально указывала положение планет в небе в конкретный момент.

С тех пор ученым удалось создать подробные модели внутреннего устройства прибора, которые дали историкам беспрецедентную возможность глубже познакомиться с объемом знаний и мышлением древних. Устройство ознаменовало собой рождение совершенно новой области науки, использующей механические устройства для моделирования Вселенной. Антикитерский механизм – древнейший аналоговый компьютер, устройство, способное проводить вычисления посредством непрерывного механического движения.

Итак, задачей первого в мире компьютера было моделирование движения небесных тел, воспроизведение загадок космоса в устройстве, которое можно было держать в руках. Вместо того чтобы просто смотреть в благоговейном восторге в ночное небо, древние ученые хотели подробно разобраться, как в нем все работает, а это дало бы им дополнительную возможность лучше понять движение небесных тел.

Археологи выяснили, что Антикитерский механизм представлял собой результат попыток наших предков смоделировать космос. Если разобраться, именно эта многовековая потребность моделировать окружающий мир – одна из движущих сил, стоящих за созданием квантового компьютера, а сам он представляет собой высшее достижение 2000 лет усилий, направленных на моделирование всего вокруг, от космоса до атома.

Моделирование – одна из наиболее глубоких потребностей человека. Дети играют в куклы – модели людей, чтобы понять человеческое поведение. Играя в полицейских и бандитов, в учителя и учеников или во врача и пациента, дети моделируют частично общество взрослых, чтобы разобраться в сложных отношениях между людьми.

Как ни печально, должно было пройти немало столетий, прежде чем ученые смогли построить достаточно сложные машины, способные моделировать наш мир так же хорошо, как это делал Антикитерский механизм.

С падением Римской империи научный прогресс во многих областях, включая моделирование Вселенной, практически замер.

Только в XIX в. интерес к этому начал постепенно возрождаться. К тому моменту возникло немало насущных практических вопросов, ответить на которые можно было только при помощи механических аналоговых компьютеров.

К примеру, мореходам необходимы были подробные карты и схемы, по которым можно было прокладывать курс кораблей. Им нужны были также устройства, при помощи которых эти карты можно было сделать максимально точными.

Требовались также все более сложные машины, которые помогали бы вести учет в торговле и коммерции, по мере того как люди накапливали все больше капитала. Бухгалтерам приходилось вручную составлять обширные математические таблицы начислений и процентов по кредитам.

Но человек часто допускает дорогостоящие и значимые ошибки, без этого не обойтись. Поэтому интерес к созданию механических суммирующих машин, которые не делали бы подобных ошибок, был весьма острым. По мере усложнения суммирующих машин развернулось неформальное соревнование между предприимчивыми изобретателями за то, чья машина окажется наиболее совершенной.

Возможно, самый смелый из этих проектов принадлежал эксцентричному английскому изобретателю и мечтателю Чарльзу Бэббиджу, которого часто называют отцом компьютера. Он отметился как любитель во множестве абсолютно разных областей, включая живопись и даже политику, но больше всего его занимали числа. К счастью, он родился в богатой семье, так что отец-банкир мог помочь реализовать его самые разнообразные интересы.

Его мечтой было создать самую совершенную вычислительную машину своего времени, которую могли бы использовать банкиры, инженеры, моряки и военные для безошибочного выполнения трудоемких, но важных расчетов. Он ставил перед собой две цели. Как один из членов-учредителей Королевского астрономического общества, он думал о создании машины, которая могла бы следить за движением планет и астрономических тел (следуя, по существу, тем же новаторским путем, каким шли создатели Антикитерского механизма). Также его занимало составление точных навигационных карт для морского судоходства. Англия была одной из мощнейших морских держав, а ошибки в навигационных картах могли стать причиной дорогостоящих катастроф. Бэббидж хотел создать самый мощный среди всех аналогов механический компьютер, чтобы отслеживать движение всего подряд, начиная от планет и заканчивая кораблями в море и процентными ставками.

Он с немалой убедительностью привлекал последователей-энтузиастов, чтобы те помогли в продвижении его амбициозного проекта. Одним из таких последователей стала леди Ада Лавлейс – аристократка и дочь лорда Байрона. Кроме того, она серьезно изучала математику, что было в то время большой редкостью среди женщин. Увидев маленькую работающую модель машины Бэббиджа, она сильно увлеклась этой интереснейшей программой.

Известно, что Лавлейс помогла Бэббиджу ввести в вычислительный процесс несколько новых концепций. Обычно механический вычислитель нуждался в наборе шестеренок и шпеньков, чтобы медленно и методично рассчитывать числа одно за другим. Но для получения таблиц, содержащих тысячи математических чисел разом (таких как логарифмы, процентные ставки и навигационные карты), необходим набор инструкций, который мог бы провести машину через множество последовательных итераций. Иными словами, требовалась программа, которая управляла бы последовательностью действий машины. Так что Лавлейс написала серию подробных инструкций, по которым машина могла систематически генерировать так называемые числа Бернулли, необходимые для проводимых расчетов.

Лавлейс стала в определенном смысле первым в мире программистом. Историки сходятся на том, что Бэббидж, вероятно, понимал важность программного обеспечения и программирования, но именно ее подробные заметки, написанные в 1843 г., представляли собой первый опубликованный образец компьютерной программы.

Кроме того, Лавлейс признавала, что компьютер не просто способен манипулировать числами, как считал Бэббидж, но в обобщенном виде может также описывать символьные концепции из широкого круга областей. Дорон Суэйд пишет: «Ада видела кое-что такое, чего Бэббидж в каком-то смысле увидеть не смог. В мире Бэббиджа его машины были ограничены работой с числами. Лавлейс же видела… что число может представлять и другие сущности, не только количество. Поэтому, если у вас есть машина для манипуляции числами, а эти числа представляют другие вещи, к примеру буквы или музыкальные ноты, то эта машина может по заданным правилам манипулировать символами, среди которых числа – всего лишь один пример»{12}12
  «Our Founding Figures: Ada Lovelace,» Tetra Defense, April 17, 2020; www.tetradefense.com/cyber-risk-management/our-founding-figures-ada-lovelace/.


[Закрыть].

В частности, Лавлейс указала, что компьютер можно было бы запрограммировать на создание музыкальных пьес. Она писала, что «машина могла бы сочинять изысканные и техничные музыкальные пьесы любой степени сложности и продолжительности»{13}13
  «Ada Lovelace,» Computer History Museum; www.computerhistory.org/babbage/adalovelace/.


[Закрыть]. Так что компьютер в ее представлении был не просто шикарной суммирующей машиной и предназначался не только для щелканья чисел. Его можно было использовать также для исследования науки, искусства, музыки и культуры. К несчастью, Лавлейс умерла от рака в возрасте 36 лет, не успев развить эти революционные концепции.

Между тем, поскольку денег Бэббиджу хронически не хватало, к тому же он постоянно влезал в споры с коллегами, его мечта о создании самого совершенного механического вычислителя своего времени так никогда и не осуществилась. Когда он умер, многие его схемы и идеи умерли вместе с ним.

В последующие годы ученые не раз пытались выяснить точно, насколько совершенными были его машины. Так, схема одной из незаконченных моделей содержала 25 000 деталей. В построенном виде эта машина весила бы четыре тонны и возвышалась бы почти на два с половиной метра. Он так сильно обогнал свое время, что его машина могла бы манипулировать тысячей 50-значных чисел. Такого гигантского объема памяти не появится у других машин вплоть до 1960 г.

Примерно через 100 лет после смерти Бэббиджа инженеры лондонского Музея науки, опираясь на его схемы и записи, сумели достроить одну из его моделей и представить публике получившийся образец. И эта машина работает, как предсказывал в прошлом столетии Бэббидж.

Пока инженеры строили все более сложные механические вычислители в ответ на потребности развивающегося промышленного мира, чистые математики задавались еще одним вопросом. Еще древнегреческие геометры мечтали продемонстрировать, что все истинные утверждения в математике могут быть строго доказаны.

Примечательно, однако, что эта простая идея на протяжении 2000 лет ставила математиков в тупик. Веками те, кто изучал «Начала» Евклида, рассматривали геометрические объекты и пытались доказывать теорему за теоремой. Шло время, блестящие мыслители доказывали все более сложный набор истинных утверждений. Даже сегодня математики зачастую проводят всю свою жизнь за составлением десятков истинных утверждений, которые можно доказать математическими методами. Но во времена Бэббиджа они начали задаваться еще более фундаментальным вопросом: полна ли математика? Гарантируют ли правила математики, что каждое истинное утверждение может быть доказано, – или существуют истинные утверждения, которые могут не поддаться усилиям самых выдающихся умов человечества, поскольку на самом деле они недоказуемы?

В 1900 г. великий немецкий математик Давид Гильберт составил список важнейших на тот момент недоказанных математических вопросов и пригласил к их решению величайших в мире коллег. Этому замечательному списку нерешенных вопросов суждено было определить повестку математики на протяжении всего XX в., пока представленные в нем задачи постепенно решались. Десятки лет молодые математики искали себе чести и славы, сражаясь с незаконченными теоремами Гильберта – и в конечном итоге побеждая их одну за другой.

Но в этом заключалась и некоторая ирония. Одной из нерешенных задач, включенных Гильбертом в список, была древняя задача на доказательство всех истинных утверждений в математике при наличии некоего набора аксиом. В 1931 г. на конференции, где Гильберт говорил о своей программе, молодой австрийский математик Курт Гёдель доказал, что это невозможно.

Это вызвало шок во всем математическом сообществе. Две тысячи лет греческой мысли были полностью и необратимо разбиты. Математикам всего мира оставалось только недоверчиво качать головами. Им нелегко было примириться с мыслью о том, что математика – не аккуратный, упорядоченный, полный и доказуемый набор теорем, как когда-то постулировали греки. Даже математика, образующая фундамент наших представлений о физическом мире вокруг нас, оказалась путаной и неполной.