«Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит все»

В решении некоторых задач классические вычислительные системы по эффективности уже уступают квантовым. Такие устройства пока можно найти только в лабораториях и работают они с ошибками, но со временем должны стать надежнее и мощнее. В книге «Квантовое превосходство: Революция в вычислениях, которая изменит все» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Натальей Лисовой, физик Митио Каку рассказывает, как квантовые компьютеры могут изменить криптографию, медицину, искусственный интеллект, космические исследованиях и другие области. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом о том, как ученые изучают фотосинтез с помощью квантовых компьютеров.

Сделать мир зеленым

Когда в ясный весенний день я вхожу в густой лес, меня ошеломляют богатство и пышность зеленой растительности, которая меня окружает, а также яркие вспышки нежных цветов всюду, куда ни посмотрю. Я вижу настоящую радугу живых красок. Вижу, как жизнь рвется во всех направлениях, как растения радостно купаются в солнечном свете и каким-то образом превращают его энергию во все это изобилие.

Но, помимо этого, меня также ошеломляет понимание, что я — свидетель драмы, разыгрывающейся вот уже более 3 миллиардов лет, процесса, который буквально делает сложную жизнь на Земле возможной. Движущей силой жизни на нашей планете служит фотосинтез, обманчиво простой процесс, посредством которого растения превращают двуокись углерода, солнечный свет и воду в глюкозу и кислород. Понимание того факта, что фотосинтез создает 15 000 тонн биомассы в секунду, потрясает, — а ведь именно биомасса отвечает за то, чтобы Земля была покрыта зеленой растительностью.

Невозможно представить себе жизнь без фотосинтеза, но, что интересно, при всех наших научных успехах биологи до сих пор не могут точно сказать, как проходит этот важнейший процесс. Некоторые из них считают, что, поскольку захват кванта энергии фотосинтезом проходит с почти стопроцентной эффективностью, он должен носить квантово-механический характер. (Но если посчитать общую эффективность превращения света в конечный продукт — топливо и биомассу, — что требует целой серии сложных шагов и мудреных химических реакций, то итоговая эффективность упадет до 1 процента.) Если когда-нибудь квантовые компьютеры смогут раскрыть секрет фотосинтеза, у нас появится возможность делать фотоэлектрические элементы с почти идеальной эффективностью, что сделает эру Солнца реальной. Тогда мы повысим урожайность сельскохозяйственных культур и накормим голодную планету. Вероятно, процесс фотосинтеза можно было бы модифицировать так, чтобы растения хорошо чувствовали себя и были способны развиваться даже в суровых условиях. Или, если когда-нибудь мы начнем колонизацию Марса, процесс фотосинтеза можно было бы модифицировать так, чтобы растительность существовала и на Красной планете.

Еще одно поразительное направление исследований, называемое искусственным фотосинтезом, однажды даст нам «искусственный лист» в том или ином виде — более универсальную форму фотосинтеза, способную сделать растения в целом более эффективными. Мы иногда забываем, что фотосинтез — это конечный продукт миллиардов лет совершенно случайных, хаотичных химических процессов, и свои замечательные свойства он обрел благодаря чистому случаю. Из этого следует, что, как только квантовые компьютеры раскроют секрет фотосинтеза, мы, вполне возможно, сумеем модифицировать и улучшить процесс роста растений. Не исключено, что миллиарды лет эволюции растений удастся сжать до нескольких месяцев работы квантового компьютера.

К примеру, Грэм Флемингиз Института энергетических нанонаук Кавли в Беркли заявляет: «Я очень хочу знать, как работает природа на ранних этапах фотосинтеза. Тогда мы могли бы воспользоваться этими знаниями для создания искусственных систем, обладающих всеми положительными характеристиками природных систем без всей этой мороки с заботой о семенах, поддержанием жизни и защитой от прожорливых жучков».

На протяжении всей истории растения были для нас загадкой. Они, казалось, цвели сами по себе и лишь иногда нуждались в поливе. С древних времен считалось, что растения, развиваясь, каким-то образом поедают почву. Эти представления изменились только в середине XVII века. Бельгийский ученый Ян ван Гельмонт взвесил растение и почву, в которой оно росло, и обнаружил, к собственному удивлению, что вес почвы со временем совершенно не менялся. Он сделал вывод, что растения развиваются за счет воды.

Затем химик Джозеф Пристли провел более детальные эксперименты. В частности, он поместил растение в стеклянную банку вместе с горящей свечой. Он выяснил, что свеча в банке, если она одна, быстро гаснет, но в присутствии растения продолжает гореть. Дело в том, что растение поглощает из воздуха углекислый газ и выделяет кислород для свечи.

К началу XIX века биологи начали складывать кусочки головоломки вместе. Они поняли, что растениям нужны солнечный свет, вода и углекислый газ и что в процессе жизнедеятельности они обычно выделяют кислород.

Фотосинтез принципиально важен для Земли, он буквально сформировал атмосферу нашей планеты. После образования Земли атмосфера молодой планеты состояла преимущественно из углекислого газа, который выделяли древние вулканы. Это же мы наблюдаем и в атмосферах Марса и Венеры, которые, благодаря их вулканам, состоят из почти чистого углекислого газа.

Но фотосинтез, появившись на Земле, превратил углекислый газ в кислород, которым мы теперь дышим. Так что каждый вдох напоминает мне об этом судьбоносном переходе, случившемся миллиарды лет назад.

К 1950-м годам ученые составили из кусочков так называемый цикл Кальвина — цепочку сложных химических процессов, посредством которых углекислый газ и вода превращаются в углеводороды. При помощи различных методов, включая анализ содержания углерода-14, они смогли отследить движение конкретных химических веществ внутри растения.

При помощи подобных средств биологи постепенно сумели разобраться в жизненной истории растений. Но один шаг никогда им не давался. Как растения вообще умудряются захватывать энергию световых фотонов? Что запускает эту длинную цепочку событий, которая начинается с захвата энергии солнечного света? Это остается загадкой до сих пор. Но квантовые компьютеры, возможно, помогут ее разгадать.

Квантовая механика фотосинтеза

Многие ученые убеждены, что фотосинтез — это квантовый процесс. Начинается он, когда фотоны — дискретные порции света — падают на лист, в котором содержится хлорофилл. Эта особая молекула поглощает красный и синий свет, но не зеленый, который отражается и рассеивается в окружающей среде. Следовательно, зеленый цвет растений объясняется тем фактом, что зеленый свет они не поглощают. (Если бы природа создала растения, поглощающие весь возможный свет, эти растения были бы скорее черными, нежели зелеными.)

Когда свет падает на лист, можно было бы ожидать, что он рассеется во всех направлениях и потеряется навсегда. Но именно в этот момент и срабатывает квантовое волшебство. Фотон света попадает в хлорофилл, и это порождает на листе энергетические колебания, называемые экситонами, которые каким-то образом передвигаются по поверхности листа. В конечном итоге эти возбуждения попадают в так называемый центр сбора на поверхности листа, где энергия экситона используется для превращения углекислого газа в кислород.

Согласно второму закону термодинамики, когда энергия преобразуется из одной формы в другую, значительная часть этой энергии улетучивается в окружающую среду и теряется. Поэтому можно ожидать, что значительная часть энергии фотона тоже должна рассеиваться при столкновении с молекулой хлорофилла, — а значит, теряться в ходе этого процесса, превращаясь в тепловые отходы.

Вместо этого энергия экситона чудесным образом почти без потерь переносится в центр сбора. По причинам, которые мы до сих пор не понимаем, этот процесс идет почти со стопроцентной эффективностью.

Процесс, при котором фотоны порождают экситоны, накапливаемые в центрах сбора, можно сравнить с турниром по гольфу, в ходе которого все участники отправляют свои мячи случайным образом во всех направлениях. Затем как по волшебству все эти мячи почему-то меняют направление движения и по одному залетают в лунку. Такого не должно происходить, но на самом деле все это можно измерить в лаборатории.

Согласно одной из теорий, путешествие экситона становится возможным благодаря интегралам по траектории, которые, как мы видели ранее, ввел Ричард Фейнман. Вспомним, что Фейнман переписал законы квантовой теории в терминах траекторий. Когда электрон движется из одной точки в другую, он каким-то образом разнюхивает все возможные траектории между этими двумя точками. Затем рассчитывает вероятность каждого маршрута. Следовательно, электрон каким-то образом «знает» обо всех возможных траекториях, соединяющих эти точки. Это означает, что электрон «выбирает» маршрут с наибольшей эффективностью.

Здесь присутствует и вторая загадка. Процесс фотосинтеза протекает при комнатной температуре, где случайные движения атомов в окружающей среде должны, по идее, разрушать любую когерентность между экситонами. Вот квантовые компьютеры обычно приходится охлаждать до температур, близких к абсолютному нулю, чтобы минимизировать эти хаотические движения, а растения прекрасно функционируют при комнатной температуре. Как это возможно?

Искусственный фотосинтез

Один из способов экспериментально доказать или опровергнуть присутствие квантовых эффектов состоит в том, чтобы искать указания на когерентность — когда атомы колеблются в унисон, это верный признак квантовых эффектов. В нормальной ситуации ожидаешь обнаружить хаотическую мешанину отдельных колебаний, без всякого ритма и порядка, но, если вдруг выявляются какие-то синфазные колебания, это должно немедленно сигнализировать о наличии квантовых эффектов.

В 2007 году Грэм Флеминг сообщил, что ему удалось наблюдать это трудноуловимое явление. Он смог объявить об открытии когерентности в фотосинтезе потому, что пользовался особым сверхбыстрым многомерным спектроскопом, способным генерировать световые импульсы длительностью в фемтосекунду (одну миллионную от одной миллиардной доли секунды). Такие исключительно быстрые лазеры были ему нужны для того, чтобы успеть зарегистрировать когерентные световые лучи прежде, чем случайные столкновения с окружающей средой нарушат когерентность. С точки зрения лазера, атомы окружающей среды практически застыли во времени, так что их можно было в значительной мере проигнорировать. Флеминг сумел показать, что световые волны способны существовать в двух и более квантовых состояниях одновременно. Это означало, что свет может использовать множественные маршруты к центру реакций в одно и то же время. Это объясняет, почему экситоны способны находить центр реакций почти в ста процентах случаев.

Одна из коллег Флеминга по Беркли Биргитта Уэйли добавляет: «Возбуждение эффективно „выбирает“ самый рациональный маршрут... из квантового меню возможных траекторий. Для этого нужно, чтобы все возможные состояния движущейся частицы сложились в единое, когерентное квантовое состояние за десятые доли фемтосекунды».

Также это объясняет, как фотосинтез может работать при комнатной температуре, без всевозможных трубочек и насосов, без которых не обходятся физические лаборатории.

Квантовые компьютеры идеально проводят эти квантовые расчеты. При таком подходе принципиальную роль играют интегралы по траекториям, и это означает, что теперь мы можем менять динамику фотосинтеза и решать таким образом различные задачи. Вместо того чтобы проводить тысячи экспериментов с растениями, на что тратится непомерно много времени, мы можем проводить эти эксперименты виртуально.

Например, появляется возможность научиться выращивать сорта растений, которые более эффективны или дают больше фруктов и овощей, и таким образом увеличить продуктивность фермерских хозяйств.

Кроме того, рацион человека в решающей степени зависит от горстки злаков, таких как рис или пшеница, так что внезапное поражение наших посевов каким-нибудь заболеванием или вредителем может вызвать нарушения во всей пищевой цепочке. Мы оказались бы беспомощными, если бы с производством хотя бы одного из базовых продуктов нашего рациона вдруг возникли серьезные проблемы.

В настоящее время ученые сосредоточены на создании «искусственного листа» с искусственным фотосинтезом, который серьезно снизил бы нашу зависимость от этого важного природного процесса.

Подробнее читайте:
Каку, М. Квантовое превосходств о: Революция в вычислениях, которая
изменит всё / Митио Каку ; Пер. с англ. [Натальи Лисовой] — М. : Альпина нон-фикшн, 2024. — 412 с.