Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит всё - Каку Митио. Страница 6

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}.

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.

Не исключено, что квантовые компьютеры сумеют помочь нам в создании более эффективного искусственного фотосинтеза или, может быть, совершенно новых способов преобразования энергии солнечного света. Возможно, от этого будут зависеть в будущем наши продовольственные ресурсы.

Рождение квантовой медицины

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.