Моей любящей жене Сидзуэ
и моим дочерям д-ру Мишель Каку и Элисон Каку
QUANTUM SUPREMACY

How the Quantum Computer Revolution

Will Change Everything

Dr. Michio Kaku,

Professor of Theoretical Physics

City University of New York

DOUBLEDAY

NEW YORK
МИТИО
КАКУ

КВАНТОВОЕ
ПРЕВОСХОДСТВО
РЕВОЛЮЦИЯ В ВЫЧИСЛЕНИЯХ,
КОТОРАЯ ИЗМЕНИТ ВСЁ

Перевод с английского

АЛЬПИНА НОН-ФИКШН

Москва, 2026
УДК 539.12:004.9

ББК 32.971.3:22.3

К16

Издано при поддержке Российского квантового центра

Переводчик Наталья Ли со в а

Научный редактор Алексей Рубцов, доктор физ.-мат. наук,
профессор РАН

Редактор Ольга Нижельская

Каку М.

К16 Квантовое превосходств о: Революция в вычислениях, которая
изменит всё / Митио Каку ; Пер. с англ. — М. : Альпина нон-
фикшн, 2026.— 4 12с.

ISBN 978-5-00139-728-1

В своей новой книге известный физик и непревзойденный популяриза-
тор науки Митио Каку рассматривает феномен квантовых компьютеров,
способных решать задачи, с которыми классические вычислительные
системы до сих пор не в состоянии справиться. Развитие квантовых ком-
пьютеров может привести к революционным открытиям в криптографии,
медицине, сфере искусственного интеллекта, космических исследованиях
и многих других областях.

Автор обращается к широкому кругу читателей и поэтому рассказы-
вает о сложных процессах и научных достижениях просто и увлекательно.
Книга дает возможность заглянуть в будущее и увидеть, какие инновации
ожидают нас в ближайшие десятилетия и как они изменят нашу жизнь.

УДК 539.12:004.9

ББК 32.971.3:22.3

Все права защищены. Никакая часть этой книги не может быть воспроизведена
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая раз-
мещение в интернете и в корпоративных сетях, а также запись в память ЭВМ для
частного или публичного использования, без письменного разрешения владельца
авторских прав. По вопросу организации доступа к электронной библиотеке изда-
тельства обращайтесь по адресу mylib@alpina.ru

ISBN 978-5-00139-728-1 (рус.)

ISBN 978-0-3855-4836-6 (англ.)

© Michio Kaku, 2023

All rights reserved. Published in the United States
by Doubleday, a division of Penguin Random House LLC,
New York, and distributed in Canada by Random House
of Canada Limited, Toronto.

© Издание на русском языке, перевод, оформление.
ООО «Альпина нон-фикшн», 2026
ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие к русскому изданию...............7

Часть I

Рождение квантовых компьютеров
Глава 1. Конец эпохи кремния.............13

Глава 2. Конец цифровой эпохи............40

Глава 3. Рождение кванта.................59

Глава 4. Квантовые компьютеры: начало....85

Глава 5. Гонка началась.................121

Часть II

Квантовые компьютеры и общество
Глава 6. Происхождение жизни............137

Глава 7. Сделать мир зеленым............156

Глава 8. Накормить планету..............168

Глава 9. Наполнить мир энергией.........182

Часть III

Квантовая медицина
Глава ю. Квантовое здоровье.............197

Глава 11. Редактирование генома и лечение рака.213

Глава 12. Искусственный интеллект и квантовые
компьютеры.......................236

Глава 13. Бессмертие...........................264

Часть IV

Моделирование мира и Вселенной
Глава 14. Глобальное потепление.........293

Глава 15. Солнце в бутылке.....................310
Глава 16. Моделирование Вселенной..........330

Глава 17. Когда-нибудь в 2050 году.........361

Эпилог. Квантовые головоломки..............373

Благодарности.................................389

Примечания....................................391

Избранная библиография........................398

Предметно-именной указатель...................399

Об авторе.....................................411
ПРЕДИСЛОВИЕ
К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Физика, которая изучает явления, происходящие в обла-
сти элементарных частиц, называется квантовой. Многие
уравнения классической механики, сформулированные
еще Исааком Ньютоном, перестают работать на кванто-
вом уровне. Они хорошо описывают взаимодействия объ-
ектов привычных нам размеров и скоростей, но не могут
объяснить, как то же самое происходит на уровне элемен-
тарных частиц.

Годом рождения квантовой физики можно считать
1900-й, когда немецкий ученый Макс Планк, изучая законы
теплового излучения нагретых тел, ввел понятие «квант»,
назвав таким образом минимально возможную порцию
излучаемой энергии. Альберт Эйнштейн, исследуя явле-
ние фотоэффекта, первым из ученых предположил: сам
свет состоит из квантов или фотонов, что противоречило
всем представлениям физики XIX в. Так родилась кванто-
вая механика.

Последовавший за созданием квантовой механики пе-
риод взрывного технологического роста принято называть
первой квантовой революцией. Ее основой стало исполь-
зование коллективных квантовых явлений. В 1930-1940-х гг.
начались активные исследования полупроводниковых ма-
териалов, свойства которых стало возможно описать с по-
мощью квантовой механики. На основе этих изысканий
созданы первые полупроводниковые транзисторы — глав-
ные компоненты электроники. В 1954 г. советские ученые
Николай Басов и Александр Прохоров разработали пер-
вый квантовый генератор света, или лазер — устройство,
управляющее потоком фотонов. С конца XX в. мир нахо-
дится на пороге второй квантовой революции. Ее ключевое
технологическое отличие заключается в управлении инди-
видуальными квантовыми объектами, например атомами
или фотонами.

Сегодня внимание к развитию квантовых техноло-
гий во многом связано с идеей квантовых вычислений,
или, проще говоря, квантовых компьютеров, которые при-
званы решить задачи, ранее недоступные человечеству.
Идею о возможности использования квантовых эффектов
для вычислений впервые высказал американский физик
и нобелевский лауреат Ричард Фейнман. Спустя 20 лет,
в 1980 г., советский математик Юрий Манин описал идею
квантовых вычислений. В книге «Вычислимое и невычисли-
мое», рассуждая о сложности процесса считывания и записи
биологической информации с молекул ДНК, он заметил,
что для моделирования этого процесса могли бы подойти
квантовые устройства.

Сейчас индустрия квантовых вычислений находится
на этапе «шумных квантовых процессоров среднего мас-
штаба», то есть систем из сотен кубитов, работающих не-
устойчиво из-за внешних помех. В ближайшем будущем
прогнозируется появление защищенных от ошибок кван-
товых компьютеров, которые будут существенно эффектив-
нее классических в решении задач с большим количеством
переменных, таких как моделирование и оптимизация.

При этом рынок уже учится применять квантовые вы-
числения. В логистике их используют для маршрутизации
транспорта и составления расписаний. В финансах — для
оценки рисков, оптимизации инвестиционных портфелей
и кредитного скоринга. Компании промышленного сектора
проводят эксперименты по использованию квантовых ком-
пьютеров для моделирования новых лекарств и сборки ге-
номов, оптимизации энергосетей, разработки новых мате-
риалов, аэро- и гидродинамических расчетов.

Появление мощных квантовых компьютеров беспово-
ротно изменит будущее человечества. За технологическим
переворотом придут масштабные изменения в жизни об-
щества и культуре. Какими будут эти изменения, мы пока
не представляем, но жизнь точно не останется прежней.

Руслан Юнусов,
сооснователь Российского квантового центра

ЧАСТЬ I

РОЖДЕНИЕ
КВАНТОВЫХ
КОМПЬЮТЕРОВ

ГЛАВА 1

КОНЕЦ ЭПОХИ КРЕМНИЯ

Революция начинается.

В 2019 и 2020 гг. в мире науки произошли две сен-
сации. Две группы объявили о достижении ими кван-
тового превосходства — то есть той исторической точки,
в которой принципиально новый тип компьютера, извест-
ный как квантовый компьютер, может убедительно пре-
взойти по производительности обычный цифровой супер-
компьютер в решении определенных задач. Это возвестило
о начале переворота, способного изменить весь ландшафт
мира информационных технологий и серьезно повлиять
на нашу повседневную жизнь во всех ее проявлениях.

Сначала компания Google сообщила, что ее кванто-
вый компьютер Sycamore способен за 200 секунд спра-
виться с математической задачей, на решение которой са-
мому быстрому суперкомпьютеру в мире потребовалось бы
ю ооо лет. Судя по статье в журнале MIT Technology Review,
Google назвала это крупным прорывом. Она сравнила это
событие с запуском первого спутника или первым полетом
братьев Райт. Это был «порог новой эпохи машин, по срав-
нению с которыми самый мощный сегодняшний компьютер
будет выглядеть как обыкновенные счеты»1.

Затем Институт квантовых инноваций Китайской ака-
демии наук пошел еще дальше. Тамошние ученые заявили,
что их квантовый компьютер в юо триллионов раз быстрее
обычного суперкомпьютера. Вице-президент IBM Боб Су-
тор, комментируя стремительный взлет квантовых ком-
пьютеров, заявляет невозмутимо: «Думаю, это станет важ-
нейшей вычислительной технологией текущего столетия»2.

Квантовый компьютер называют «предельным», или «аб-
солютным», компьютером и считают судьбоносным тех-
нологическим скачком, несущим кардинальные измене-
ния всему миру. Вместо того чтобы выполнять вычисления
на крохотных транзисторах, он проводит их на мельчайших
объектах — на самих атомах — и потому способен легко
превзойти по мощности наш лучший суперкомпьютер.
Квантовые компьютеры могут стать проводниками в со-
вершенно новую эпоху для экономики, общества и нашего
образа жизни.

Но квантовый компьютер — нечто большее, чем про-
сто очередная более мощная вычислительная машина. Это
компьютер нового типа, способный справляться с задачами,
которые цифровые компьютеры не могут решить в прин-
ципе, даже за бесконечное время. К примеру, цифровые
компьютеры не в состоянии точно рассчитать, как атомы
взаимодействуют между собой в процессе важнейших
химических реакций, особенно тех, что делают возмож-
ной жизнь. Цифровые компьютеры могут считать только
на цифровой ленте, состоящей из последовательности ну-
лей и единиц, которые слишком примитивны, чтобы опи-
сать тонкие волны электронов, танцующих глубоко внутри
молекулы. К примеру, при скучном расчете траектории дви-
жения мыши в лабиринте цифровому компьютеру прихо-
дится кропотливо анализировать все возможные маршруты
один за другим. Квантовый же компьютер одновременно —
и в один миг — анализирует все возможные траектории.

Это, в свою очередь, сильно подогрело и без того на-
пряженное соперничество между конкурирующими ком-
пьютерными гигантами, каждый из которых стремится как
можно скорее создать самый мощный в мире квантовый
компьютер. В 2021 г. IBM представила собственный кван-
товый компьютер под названием Eagle («Орел»), который
и занял лидирующую позицию, поскольку обладает боль-
шей вычислительной мощностью, чем все предыдущие мо-
дели.

Но подобные рекорды похожи на корочку пирога — для
того они и создаются, чтобы быть разрушенными.

Если учесть глубокие последствия, которые повлечет
за собой эта революция, неудивительно, что многие веду-
щие мировые корпорации вкладывают в эту новую техно-
логию огромные суммы. Компании Google, Microsoft, Intel,
IBM, Rigetti и Honeywell создают прототипы квантовых ком-
пьютеров. Лидеры Кремниевой долины понимают, что дол-
жны идти в ногу с революционными процессами — или они
останутся на обочине.

Компании IBM, Honeywell и Rigetti Computing разме-
стили свои квантовые компьютеры первого поколения в ин-
тернете, чтобы раздразнить аппетиты любопытной публики
и дать возможность людям впервые познакомиться напря-
мую с квантовыми вычислениями. Любой человек может
испытать квантовую революцию на себе, соединившись
с квантовым компьютером через интернет. Так, проект «IBM
Q Experience», запущенный в 2016 г., бесплатно предостав-
ляет публике через интернет 15 квантовых компьютеров.
Среди их пользователей — компании Samsung и JPMorgan
Chase. К настоящему моменту этими компьютерами каж-
дый месяц пользуются уже 2000 человек, от школьников
до профессоров.

Весьма активный интерес к этой технологии проявляют
и биржи. lonQ. первой из крупных компаний, связанных
с квантовыми вычислениями, стала публичным акционер-
ным обществом и получила при первичном размещении
акций боо млн долларов. Соперничество на этом рынке на-
столько жесткое, что новый стартап PsiQuantum, не имею-
щий ни коммерческого прототипа на рынке, ни каких бы
то ни было реальных результатов прошлой деятельности,
внезапно взлетел на бирже до 3,1 млрд долларов с возможно-
стью получить 665 млн долларов кредита чуть ли не за один
день. Бизнес-аналитики писали, что им редко приходилось
видеть подобное — чтобы новая компания сумела так удачно
воспользоваться волной лихорадочных спекуляций и сенса-
ционных заголовков и взлететь так высоко.

По оценкам консалтинговой и аудиторской компании
Deloitte, объем рынка квантовых компьютеров в 2020-е гг.
должен достичь сотен миллионов долларов, а в 2030-е —
десятков миллиардов долларов. Никто не знает, когда кван-
товые компьютеры выйдут на торговые площадки и из-
менят экономический ландшафт, но прогнозы постоянно
пересматриваются в соответствии с беспрецедентными тем-
пами научного прогресса в этой области. Говоря о стреми-
тельном развитии квантовых компьютеров, генеральный
директор компании Zapata Computing Кристофер Савойи
отметил: «Это уже не вопрос о том, будет или нет, а о том,
когда будет»3.

Даже Конгресс США проявил острый интерес и желание
придать дополнительный импульс развитию новой кванто-
вой технологии. Понимая, что другие державы уже начали
щедро финансировать исследования в области квантовых
компьютеров, Конгресс США в декабре 2018 г. принял закон
о Национальной квантовой инициативе, призванный обес-
печить стартовый капитал для запуска и стимулирования
новых исследований. В нем предусматривается образова-
ние от двух до пяти новых национальных исследователь-
ских центров по квантовой информатике с финансирова-
нием 8о млн долларов в год.

В 2021 г. правительство США также объявило об ин-
вестировании 625 млн долларов в квантовые технологии
под контролем Министерства энергетики. Кроме того, еще
340 млн долларов в фонд проекта внесли гигантские корпо-
рации, такие как Microsoft, IBM и Lockheed Martin.

Китай и США не единственные страны, использующие
правительственные фонды, чтобы ускорить внедрение этой
технологии. Правительство Великобритании в настоящее
время создает Национальный центр квантовых вычисле-
ний, который будет служить хабом для исследований в этой
области. Центр должен быть построен в лаборатории Хар-
велл Совета по науке и технологиям в Оксфордшире. При
поддержке правительства Великобритании к концу 2019 г.
в стране было основано 30 стартапов, работающих в обла-
сти квантовых вычислений.

Промышленные аналитики признают, что игра идет
не меньше чем на триллион долларов. В этой отрасли чрез-
вычайно высокая конкуренция и нет никаких гарантий. Не-
смотря на внушительные технические достижения Google
и других компаний в последние годы, до рабочего кван-
тового компьютера, способного решать реальные задачи,
еще очень далеко. Нам предстоит проделать массу тяжелой
работы. Некоторые критики даже утверждают, что все это
может оказаться погоней за миражами. Но компьютерные
компании понимают: если они не успеют или не захотят
шагнуть в эту дверь, она захлопнется у них перед носом.

Иван Остоджич, один из партнеров консалтинговой
фирмы McKinsey, утверждает: «Компаниям в тех отраслях,
где квантовые технологии потенциально смогут изменить
ситуацию в максимальной степени, следует начинать зани-
маться ими прямо сейчас»4. Такие области человеческой
деятельности, как химия, медицина, нефть и газ, перевозки,
логистика, банковское дело, фармацевтика и кибербезопас-
ность, нуждаются в масштабных переменах. Остоджич до-
бавляет: «В принципе, квант окажет значимое влияние
на все информационные технологии, поскольку ускорит
решение широкого спектра задач. Компаниям необходимо
обзавестись квантовыми возможностями».

Верн Браунелл, бывший генеральный директор канад-
ской компании квантовых вычислений D-Wave Systems,
замечает: «Мы уверены, что вот-вот сможем предоставить
мощности, которые нельзя обеспечить с помощью класси-
ческих вычислений».

Многие ученые считают, что мы в настоящий момент
входим в совершенно новую эпоху, и потрясения, связанные
с переходом, будут сравнимы с теми, что произошли при
появлении транзисторов и микросхем. Компании, не име-
ющие непосредственных связей с производством компью-
теров, такие как автомобильный гигант Daimler (владелец
марки Mercedes-Benz), уже вкладывают деньги в эти тех-
нологии, полагая, что квантовые компьютеры смогут про-
ложить им путь к новым разработкам в их собственной
отрасли. Один из руководителей их конкурента BMW, Джу-
лиус Марсеа, написал: «Мы с большим интересом исследуем
преобразующий потенциал квантовых вычислений в при-
менении к автомобильной промышленности и твердо рас-
считываем расширить пределы наших инженерных возмож-
ностей»5. Другие крупные компании, такие как Volkswagen
и Airbus, организовали у себя собственные подразделения
квантовых вычислений, чтобы изучить, какие технологиче-
ские сдвиги могут вызвать эти вычисления в их отраслях.

Фармацевтические компании также внимательно сле-
дят за всеми нововведениями в этой области, понимая, что
квантовые компьютеры, возможно, будут способны моде-
лировать сложные химические и биологические процессы,
выходящие далеко за рамки возможностей цифровых ком-
пьютеров. Не исключено, что громадные мощности, за-
действованные в испытаниях миллионов лекарств, когда-
нибудь сменятся «виртуальными лабораториями», которые
будут испытывать лекарства в киберпространстве. Были
опасения, что все это однажды заменит химиков и сделает
их ненужными. Но Дерек Лоу, ведущий блог о разработке
новых лекарств, замечает: «Речь не о том, что машины за-
менят химиков. Речь о том, что химики, которые исполь-
зуют машины, заменят тех, кто этого не делает»6.

Даже Большой адронный коллайдер возле Женевы
в Швейцарии, крупнейшая научная установка в мире,
сталкивающая между собой протоны с энергией 14 трлн
электронвольт, чтобы воссоздать условия, существовавшие
в ранней Вселенной, теперь использует квантовые компью-
теры для просеивания громадных массивов данных. За одну
секунду они способны проанализировать до триллиона байт
информации, сгенерированной примерно миллиардом
столкновений частиц. Возможно, когда-нибудь квантовые
компьютеры сумеют разгадать тайну рождения Вселенной.

Квантовое превосходство

Еще в 2012 г., когда физик Джон Прескилл из Калифорний-
ского технологического института впервые ввел в обраще-
ние термин «квантовое превосходство», многие ученые по-
качали головами. Пройдут десятилетия, если не столетия,
подумали они, прежде чем квантовые компьютеры смогут
обогнать по производительности цифровой компьютер.
В конце концов, вычисления на отдельных атомах, а не на
пластинах кремниевых микросхем считались чертовски
сложными. Малейшая вибрация или шум может нарушить
изящный танец атомов в квантовом компьютере. Но сего-
дня поразительные заявления о новых достижениях в кван-
товом превосходстве в клочья рвут мрачные предсказания
скептиков. Теперь основное внимание смещается к вопросу
о том, насколько быстро будет развиваться эта область.
Толчки, вызванные этими замечательными достиже-
ниями, прочувствовали также руководства государствен-
ных организаций и секретные разведывательные службы
по всему миру. Документы, опубликованные анонимными
разоблачителями, показали, что ЦРУ и Агентство нацио-
нальной безопасности США внимательно отслеживают все
происходящее в этой области. Дело в том, что мощность
квантовых компьютеров настолько велика, что, в прин-
ципе, они способны взломать все известные кибершифры.
Это означает, что секреты, тщательно охраняемые прави-
тельствами, — особая ценность, поскольку это самая чув-
ствительная информация, — будут уязвимы перед такими
кибератаками, как и самые строгие секреты корпораций
и даже отдельных людей. Ситуация требует настолько осо-
бого внимания, что даже Национальный институт стандар-
тов и технологий США (NIST), определяющий националь-
ную политику и стандарты, недавно выпустил инструкцию,
призванную помочь крупным корпорациям и агентствам
спланировать неизбежный переход в новую эпоху. NIST уже
объявил, что, по его прогнозам, к 2029 г. квантовые ком-
пьютеры смогут взломать 128-битное AES-шифрование —
шифр, которым пользуются многие компании.

Али Эль-Каафарани, журналист Forbes, отмечает: «Это
весьма пугающая перспектива для любой организации, ко-
торая хочет защитить какую бы то ни было чувствительную
информацию»7.

Китайцы потратили ю млрд долларов на свою Нацио-
нальную лабораторию квантовой информатики, поскольку
твердо настроены стать лидером в этой жизненно важной
и стремительно развивающейся области. Государства тра-
тят десятки миллиардов, чтобы усилить охрану своих ши-
фров. Вооружившись квантовым компьютером, условный
хакер мог бы, по идее, взломать любой цифровой компью-
тер на планете, таким образом внося хаос в целые отрасли
и даже в вооруженные силы. Вся чувствительная информа-
ция может стать доступной любому, кто предложит за нее
больше других. Финансовые рынки также могут быть вверг-
нуты в кризис, если квантовые компьютеры вломятся в свя-
тая святых Уолл-стрит. Кроме того, квантовые компьютеры
могли бы разомкнуть блокчейн, создавая хаос и на рынке
биткойна. По оценкам Deloitte, около 25% биткойнов по-
тенциально уязвимы для взлома при помощи квантового
компьютера.

«Текущие проекты на базе блокчейна, скорее всего, вни-
мательно и нервно следят за продвижением квантовых вы-
числений»8, — делается вывод в докладе СВ Insights, ИТ-ком-
пании, занятой созданием ПО для обработки данных.

Так что на кону стоит ни много ни мало мировая эконо-
мика, неразрывно связанная с цифровыми технологиями.
При помощи компьютеров банки Уолл-стрит отслеживают
многомиллиардные долларовые транзакции. При помощи
компьютеров инженеры проектируют небоскребы, мосты
и ракеты. Художникам не обойтись без компьютеров при
анимации голливудских блокбастеров. Фармацевтические
компании пользуются компьютерами при разработке оче-
редных чудо-лекарств. Дети прибегают к компьютерам,
чтобы поиграть с друзьями в новейшие видеоигры. И все мы
в решающей степени зависим от сотовых телефонов, когда
получаем мгновенно через них новости от наших друзей,
знакомых и родственников. Каждому приходилось испыты-
вать приступ паники, когда не можешь найти свой сотовый.
В общем, чрезвычайно трудно назвать хотя бы какую-то
область человеческой деятельности, в которой компьютеры
определяют буквально все. Мы настолько от них зависимы,
что, если бы вдруг все компьютеры в мире внезапно пре-
кратили работать, цивилизация погрузилась бы в хаос. Вот
почему ученые следят за развитием квантовых компьюте-
ров так внимательно.
Конец закона Мура

Что движет всей этой суетой и спорами?

Резкий скачок квантовых технологий — признак того,
что эра кремния потихоньку подходит к концу. На про-
тяжении полувека взрывной рост мощности компьютеров
описывался законом Мура, получившим свое название
по имени основателя Intel Гордона Мура. Закон Мура гласит,
что мощность компьютеров удваивается каждые полтора
года. Этот обманчиво простой закон описывает замеча-
тельный экспоненциальный рост мощности компьютеров,
не имевший прецедентов в истории человечества. Ника-
кое другое изобретение не оказало подобного всеохватного
влияния за такой короткий промежуток времени.

Компьютеры на протяжении своей истории прошли
множество этапов развития, всякий раз многократно по-
вышая свою мощность и вызывая серьезные социальные
изменения. Если разобраться, то закон Мура можно распро-
странить и на прошлое, вплоть до XIX в., до эпохи механи-
ческих вычислителей. В то время инженеры для простых
арифметических операций использовали вращающиеся ци-
линдры, штырьки, шестеренки, колесики. К началу про-
шлого века в этих вычислителях начали использовать элек-
тричество, заменяя шестеренки на реле и кабели. Во время
Второй мировой войны компьютеры использовали целые
батареи вакуумных электронных ламп, чтобы взламывать
секретные правительственные шифры. В послевоенную
эпоху произошел переход с радиоламп на транзисторы,
которые можно было уменьшать до микроскопических раз-
меров, что способствовало дальнейшему повышению ско-
рости и мощности компьютеров.

В 1950-е гг. универсальные вычислительные машины
были доступны лишь крупным корпорациям, правитель-
ственным агентствам вроде Пентагона и международным
банкам. Они были мощными (так, ENIAC способен был
за 30 секунд посчитать то, что потребовало бы от чело-
века 20 часов работы). Но при этом они были дорогими,
громоздкими и часто занимали целый этаж офисного зда-
ния. Появление микросхем произвело настоящую револю-
цию в производстве компьютеров. За прошедшие десяти-
летия микросхемы настолько уменьшились в размерах, что
средний чип размером с ноготь может теперь содержать
в себе около миллиарда транзисторов. Сегодня сотовый
телефон, на котором ребенок играет в видеоигры, оказы-
вается мощнее целого зала неуклюжих «динозавров», ко-
торыми когда-то пользовался Пентагон. Компьютер у нас
в кармане превосходит по мощности компьютеры, приме-
нявшиеся во время холодной войны, и мы воспринимаем
этот факт как нечто само собой разумеющееся.

Все проходит. Каждый шаг к чему-то новому в про-
цессе развития компьютеров приводил к тому, что преж-
ние технологии устаревали. Так работает созидательное
разрушение. Повышение мощности классических ком-
пьютеров по закону Мура уже замедляется, а со време-
нем может и совсем остановиться. Дело в том, что ми-
кросхемы стали уже такими компактными, что толщина
самого тонкого слоя транзисторов составляет около 20 ато-
мов. Когда толщина слоя достигает примерно пяти ато-
мов, положение электрона становится неопределенным;
утечка таких электронов может вызвать короткое замы-
кание в чипе или выделить так много тепла, что чип рас-
плавится. Иными словами, если мы будем использовать
в микросхемах в первую очередь кремний, то закон Мура
должен рано или поздно прекратить действовать, просто
по законам физики. Вполне может быть, что мы в настоя-
щий момент являемся свидетелями конца эпохи кремния.
Следующим скачком, возможно, станет посткремниевая,
или квантовая, эпоха.
Санджей Натараджан из Intel заявил: «Мы считаем, что
выжали из этой архитектуры всё, что можно было выжать»9.

Не исключено, что Кремниевая долина со временем ста-
нет новым «ржавым поясом».

Хотя и кажется сейчас, что все спокойно, рано или
поздно это новое будущее наступит. Как утверждает Харт-
мут Невен, директор Лаборатории искусственного интел-
лекта Google: «Все выглядит так, будто ничего не проис-
ходит, ровным счетом ничего, а потом упс — и ты вдруг
оказываешься в другом мире»10.

Почему они такие мощные?

Что делает квантовые компьютеры настолько мощными,
что все страны мира спешат овладеть этой новой техно-
логией?

В сущности, все современные компьютеры основыва-
ются на цифровой информации, которую можно предста-
вить в виде последовательности нулей и единиц. Мини-
мальная единица информации — одна цифра — называется
бит. Эту последовательность нулей и единиц скармливают
цифровому процессору, который производит расчет и вы-
дает результат на выход. К примеру, скорость вашего ин-
тернет-соединения может измеряться в битах в секунду
(бит/с); так, один гигабит в секунду (г Гбит/с) означает, что
каждую секунду на ваш компьютер посылается один мил-
лиард бит информации, что обеспечивает вам мгновенный
доступ к фильмам, электронной почте, документам и тому
подобному.

Однако нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 г.
увидел и другой подход к цифровой информации. В про-
роческом новаторском выступлении «Внизу много места»
и последовавших за ним статьях он задался вопросом: по-
чему не заменить эту последовательность нулей и единиц
состояниями атомов и не сделать атомный компьютер? По-
чему не заменить транзисторы самым маленьким возмож-
ным объектом, атомом?

Атомы подобны вращающимся волчкам. В магнитном
поле ось их вращения может быть направлена либо вверх,
либо вниз по отношению к магнитному полю, и эти два
состояния атома можно соотнести с о и 1.

Мощность цифрового компьютера напрямую связана
с числом состояний (нулей или единиц) в этом самом ком-
пьютере. Но по странным законам субатомного мира атомы
способны также вращаться в любой комбинации двух опи-
санных положений. К примеру, можно получить состоя-
ние, в котором ось вращения атома ю% времени направ-
лена вверх, а 90% времени — вниз (для краткости можно
говорить, что атом вращается вверх или вниз или просто
о состояниях «вверх» и «вниз»). Или он вращается 65% вре-
мени вверх, а 35% — вниз. Мало того, число вариантов
вращения атома бесконечно. Это многократно увеличи-
вает число его возможных состояний. Так что атом мо-
жет нести в себе гораздо больше информации — не бит,
а кубит, то есть одномоментную смесь состояний «вверх»
и «вниз». Цифровые биты способны нести лишь по одному
биту информации в каждый момент времени, что ограни-
чивает их возможности, но кубиты, или квантовые биты,
обладают почти неограниченной мощностью. Тот факт,
что на атомном уровне объекты могут существовать одно-
временно во множестве состояний, называется суперпози-
цией. (Это означает также, что привычные законы здра-
вого смысла на атомном уровне постоянно нарушаются.
В этом масштабе электроны, в частности, могут находиться
в двух местах одновременно, чего у более крупных объек-
тов не бывает.)
Кроме того, кубиты могут взаимодействовать между
собой, что для обычных бит невозможно. Это называется
запутанностью. Если состояния цифровых бит независимы,
то всякий раз, когда вы добавляете к системе очередной
кубит, он взаимодействует со всеми предыдущими куби-
тами, то есть число возможных взаимодействий удваива-
ется. Из этого следует, что квантовые компьютеры по своей
природе экспоненциально мощнее цифровых компьюте-
ров, — ведь каждый раз, когда вы добавляете очередной
кубит, число взаимодействий удваивается.

К примеру, сегодняшние квантовые компьютеры мо-
гут иметь в своем составе более юо кубитов. Это означает,
что они в 21О° раз мощнее суперкомпьютера всего с одним
кубитом.

Квантовый компьютер Sycamore компании Google, пер-
вым достигший квантового превосходства, способен об-
рабатывать при помощи своих 53 кубитов 72 миллиарда
миллиардов байт памяти. Так что любой традиционный
компьютер в подметки не годится подобному квантовому
компьютеру.

Коммерческие и научные последствия всего этого гро-
мадны. Ставки при переходе от цифровой мировой эконо-
мики к экономике квантовой необычайно высоки.

Что ограничивает скорость
квантовых компьютеров

Следующий ключевой вопрос звучит так: что мешает нам
сегодня вывести на рынок мощные квантовые компью-
теры? Почему какой-нибудь предприимчивый изобрета-
тель не продемонстрирует нам квантовый компьютер, спо-
собный взломать любой известный шифр?
Проблему, с которой сталкиваются квантовые компью-
теры, также предвидел Ричард Фейнман, когда впервые
предлагал эту концепцию. Чтобы квантовые компьютеры
работали, атомы необходимо расположить в точности так,
чтобы они вибрировали в унисон. Это называется коге-
рентностью. Но атомы — невероятно маленькие и чувстви-
тельные объекты. Малейшее загрязнение или возмущение
из внешнего мира — и когерентность батареи атомов может
быть нарушена и весь расчет — погублен. Эта невероятная
чувствительность и уязвимость и есть главная проблема
квантовых компьютеров. Так что вопрос на триллион дол-
ларов: можем ли мы контролировать декогеренцию?

Чтобы минимизировать вредное влияние внешнего
мира, ученые при помощи специального оборудования по-
нижают температуру до значений, близких к абсолютному
нулю, когда нежелательные колебания почти отсутствуют.
Но, чтобы достичь этих температур, требуются особые до-
рогостоящие насосы и трубки.

Здесь мы сталкиваемся с загадкой. Мать-природа ис-
пользует квантовую механику при комнатной температуре
без каких бы то ни было проблем. К примеру, чудо фото-
синтеза — одного из важнейших процессов на Земле —
представляет собой квантовый процесс, который проходит
тем не менее при обычной температуре. Матери-природе
не нужны целые комнаты экзотических устройств, рабо-
тающих при температурах, близких к абсолютному нулю,
чтобы осуществлялся фотосинтез. По не совсем понятным
причинам в природе когерентность может поддерживаться
даже в теплый солнечный день, когда возмущения от внеш-
него мира должны, по идее, порождать хаос на атомном
уровне. Если бы мы смогли однажды разобраться, как мать-
природа творит свое волшебство при нормальных темпе-
ратурах, мы стали бы, возможно, повелителями квантовых
процессов и даже самой жизни.
Революция в экономике

Хотя в краткосрочной перспективе квантовые компьютеры
представляют угрозу кибербезопасности государств, в дол-
госрочной перспективе они имеют громадное практическое
значение и способны произвести революцию в мировой
экономике, обеспечить более устойчивое будущее и дать
старт эпохе квантовой медицины, чтобы лечить ранее не-
излечимые болезни.

Существует множество областей, в которых квантовые
компьютеры смогут обойти традиционные цифровые ма-
шины:

2. Информационно-поисковые системы

В прошлом богатство означало владение нефтью или зо-
лотом.

Теперь оно все чаще измеряется информацией. Если
прежде компании просто избавлялись от своих финансо-
вых данных, то сейчас эта информация считается более
ценной, чем драгоценные металлы. Но просеивание целой
кучи данных может оказаться не под силу традиционному
цифровому компьютеру. И здесь на сцену выходят кван-
товые вычислительные машины, которые способны найти
иголку в стоге сена. Не исключено, что квантовые компью-
теры смогут проанализировать финансы компании и выде-
лить те несколько факторов, которые не позволяют ей раз-
виваться.

И правда, JPMorgan Chase недавно вступил в партнер-
ство с IBM и Honeywell, чтобы иметь возможность анали-
зировать свои данные, а значит, делать более точные про-
гнозы финансовых рисков и неопределенностей и повышать
эффективность своих операций.
2.	Оптимизация

После того как квантовые компьютеры использовали поис-
ковые системы, чтобы выделить из массы данных ключе-
вые значения, встает следующий вопрос: как приспособить
их для максимизации определенных факторов, таких как
прибыль. По меньшей мере крупные корпорации, универ-
ситеты и правительственные агентства будут применять
квантовые компьютеры, чтобы минимизировать свои рас-
ходы и максимизировать эффективность и прибыль. К при-
меру, чистая прибыль некой компании зависит от сотен па-
раметров, таких как заработная плата, продажи, издержки
и так далее, и все они быстро меняются во времени. Задача
поиска верного сочетания бесчисленных факторов, чтобы
максимизировать прибыль, может перегрузить традици-
онный цифровой компьютер. Тем временем какая-нибудь
финансовая фирма захочет использовать квантовые ком-
пьютеры для прогнозирования финансовых рынков, на ко-
торых ежедневно заключаются сделки на миллиарды дол-
ларов. Именно здесь пригодятся квантовые компьютеры,
обеспечивающие вычислительные мускулы для оптимиза-
ции финансовых результатов.

3.	Моделирование

Квантовые компьютеры смогут также решать сложные
уравнения, выходящие за рамки возможностей цифровых
компьютеров. К примеру, инжиниринговые фирмы могут
использовать квантовые компьютеры для расчета аэроди-
намики самолетов и автомобилей, чтобы найти идеальную
форму, которая позволит снизить трение, минимизировать
расходы и максимизировать эффективность. Правительства
могут использовать квантовые компьютеры для прогнози-
рования погоды, от определения траектории чудовищного
урагана до расчета влияния глобального потепления на эко-
номику и наш образ жизни на десятилетия вперед. Ученые
могут использовать квантовые компьютеры для поиска оп-
тимальной конфигурации магнитов в гигантских установ-
ках ядерного синтеза, чтобы обуздать мощь водородного
синтеза и «поместить солнце в бутылку».

Но, возможно, самую большую пользу квантовые ком-
пьютеры принесут в моделировании сотен жизненно важных
химических процессов. В идеале хотелось бы иметь возмож-
ность предсказывать результат любой химической реакции
на атомном уровне вообще без использования химикатов,
только при помощи квантовых компьютеров. Эта новая от-
расль науки — вычислительная химия — определяет хими-
ческие свойства не путем эксперимента, а при помощи мо-
делирования их в квантовом компьютере. Когда-нибудь это
позволит исключить дорогостоящее и занимающее длитель-
ное время тестирование. Вся биология, медицина и химия
будут сведены к квантовой механике. Это означает создание
«виртуальной лаборатории»: здесь с помощью памяти кванто-
вого компьютера можно быстро проверять новые лекарства,
средства и методы лечения, обходясь без десятилетий проб
и ошибок и медленных, трудоемких лабораторных экспери-
ментов. Вместо того чтобы проводить тысячи сложных, доро-
гих и продолжительных химических экспериментов, можно
будет просто нажать кнопку на квантовом компьютере.

4.	Слияние ИИ и квантовых компьютеров

Искусственный интеллект (ИИ) обладает особой способно-
стью учиться на ошибках, что позволяет ему выполнять всё
более сложные задания. Он уже доказал свою эффектив-
ность в промышленности и медицине. Однако один из не-
достатков ИИ состоит в том, что громадное количество
данных, которое он должен обрабатывать, легко может пе-
регрузить традиционный цифровой компьютер. Но способ-
ность просеивать горы данных — одна из сильных сторон
квантовых компьютеров. Так что взаимное обогащение ИИ
и квантовых компьютеров может значительно расширить
их возможности в решении любых задач.

Дальнейшее применение
квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры способны изменить целые отрасли.
Не исключено, к примеру, что именно квантовые компью-
теры приведут к тому, что наступит долгожданная солнеч-
ная эра. Уже несколько десятилетий футуристы и визионеры
предсказывают, что возобновляемая энергия постепенно
вытеснит ископаемое топливо и решит проблему парнико-
вого эффекта, нагревающего нашу планету. Целые армии
таких мыслителей и мечтателей превозносят достоинства
возобновляемой энергии.

Но век Солнца все откладывается.

Хотя цены на ветровые турбины и солнечные панели
упали, энергия, полученная с их помощью, составляет лишь
небольшую долю от мирового производства энергии. Встает
вопрос: что случилось?

Любая новая технология в начале своего существова-
ния сталкивается с главным препятствием: затратами. По-
сле нескольких десятилетий пения осанны солнечной и ве-
тровой энергии рекламщикам и продажникам приходится
признать, что она по-прежнему стоит в среднем несколько
дороже, чем энергия, полученная из ископаемого топлива.
Причина ясна. Когда солнце не светит, а ветер не дует, тех-
ническое оборудование возобновляемой энергетики попро-
сту простаивает, собирая на себя пыль.
О главном «бутылочном горлышке», затрудняющем при-
ход века Солнца, часто забывают, а это «бутылочное гор-
лышко» не ветряк и не солнечная панель, а аккумуляторная
батарея. Мы испорчены тем фактом, что вычислительные
мощности растут экспоненциально быстро, и мы подсозна-
тельно считаем, что тот же темп развития наблюдается для
любой электронной технологии.

Вычислительные мощности резко возросли отчасти
потому, что для вытравливания крохотных транзисторов
на кремниевом чипе мы можем использовать ультрафио-
летовое излучение с меньшей длиной волны. Но аккумуля-
торная батарея — другое дело. Это довольно грубое устрой-
ство, где применяется целый набор экзотических химикатов
в сложном взаимодействии. Мощность батарей растет мед-
ленно; это трудоемкий процесс, где все делается методом
проб и ошибок, а не систематическим уменьшением длины
волны УФ-излучения, используемого для травления. Более
того, энергия, накопленная в аккумуляторе, составляет кро-
хотную долю от энергии, содержащейся в бензине.

Квантовые компьютеры могли бы это изменить. Не ис-
ключено, что они способны смоделировать тысячи возмож-
ных химических реакций без необходимости проводить их
в лаборатории, чтобы найти наиболее эффективный про-
цесс для супераккумулятора и открыть таким образом до-
рогу в солнечную эру.

Энергетические и автомобильные компании уже исполь-
зуют квантовые компьютеры первого поколения от IBM
в попытках решить проблему аккумуляторных батарей.
Они пытаются увеличить емкость и скорость перезарядки
для следующего поколения аккумуляторов на основе лития
и серы. Но это лишь один способ повлиять на климат. Кроме
того, ExxonMobil использует квантовые компьютеры IBM,
чтобы создать новые химические вещества для низкоэнер-
гетической переработки и связывания углерода. В частно-
сти, сотрудники компании хотят, чтобы квантовые компью-
теры могли моделировать разные материалы и определять
их химическую природу, например теплоемкость.

Основатель PsiQuantum Джереми О'Брайен подчерки-
вает, что эта революция не подразумевает создания более
быстрых компьютеров. Скорее, она означает решение за-
дач, скажем, сложные химические и биологические реак-
ции, которые никакой традиционный компьютер решить
не в состоянии, сколько бы времени мы ему ни дали.

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 крем-
ния 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 ком-
пьютеров может стать обеспечение продовольствием расту-
щего населения Земли. Некоторые бактерии способны без
труда извлекать азот из воздуха и преобразовывать его в ам-
миак; затем аммиак превращают в другие химические ве-
щества, которые становятся удобрением. Именно благодаря
этому азотфиксирующему процессу на Земле процветает
жизнь, существуют условия для устойчивого воспроизвод-
ства растений, которые служат пищей для людей и животных.
Когда химики сумели повторить эти реакции в процессе Га-
бера — Боша, началась Зеленая революция. Однако этот про-
цесс 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 гро-
мадную долю мировой энергии.

Вопрос стоит так: могут ли квантовые компьютеры ре-
шить задачу эффективного производства удобрений, за-
пустив таким образом Вторую зеленую революцию? Без
новой революции в производстве продуктов питания не-
которые футуристы предсказывают экологическую ката-
строфу, поскольку кормить растущее население Земли бу-
дет 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 при-
менения удобрений и раскрыть секрет азотфиксации. В ко-
нечном итоге квантовые компьютеры способны помочь
спасти человеческую цивилизацию от самой себя. Фотосин-
тез — еще одно чудо природы, при котором солнечный свет
и углекислый газ превращаются в кислород и глюкозу, об-
разующие затем основу почти всей жизни животных орга-
низмов. Без фотосинтеза пищевая цепочка рвется и жизнь
на нашей планете очень быстро исчезла бы.

Ученые десятилетиями пытаются разделить этот про-
цесс 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 иссле-
дователям удалось выяснить, где именно в этом процессе
доминируют квантовые эффекты, выводящие его за пре-
делы возможностей цифровых компьютеров. Поэтому даже
лучшим нашим химикам до сих пор не удается создать ис-
кусственный фотосинтез, который потенциально мог бы
оказаться более эффективным, чем природный.

Не исключено, что квантовые компьютеры сумеют по-
мочь нам в создании более эффективного искусственного
фотосинтеза или, может быть, совершенно новых спосо-
бов преобразования энергии солнечного света. Возможно,
от этого будут зависеть в будущем наши продовольствен-
ные 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 проанали-
зируют эффективность миллионов потенциальных лекарств
быстрее любого традиционного компьютера, но и разбе-
рутся в природе самой болезни.

Возможно, квантовые компьютеры смогут ответить
и на такие вопросы: что заставляет здоровые клетки вне-
запно 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 по-
лучившихся мутантных вирусов и как они будут реагиро-
вать на лечение?

Двумя величайшими открытиями в истории медицины
можно считать антибиотики и вакцины. Однако новые ан-
тибиотики приходится искать в основном методом проб
и ошибок, без точного понимания, как они работают на мо-
лекулярном уровне, а вакцины лишь стимулируют челове-
ческий организм на производство химических веществ, ко-
торые должны атаковать вторгшийся вирус. В обоих случаях
конкретные молекулярные механизмы до сих пор не рас-
крыты, а квантовые компьютеры, возможно, сумеют под-
сказать нам, как разрабатывать более качественные вак-
цины и антибиотики.

Если говорить о понимании нашего организма, то пер-
вым гигантским шагом в этом направлении стал проект
«Геном человека», в ходе работы над которым был состав-
лен список всех з млрд пар оснований и 20 ооо генов, вхо-
дящих в ДНК человека. Но это только начало. Проблема
в том, что цифровые компьютеры используются в основ-
ном для поиска по обширным базам известных генетиче-
ски кодов, но эти устройства бессильны, если дело доходит
до точного объяснения, как ДНК и белки творят свои чу-
деса 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 вол-
шебство. На самом фундаментальном уровне вся жизнь
является квантово-механической и потому недосягаема для
цифровых компьютеров.

Но квантовые компьютеры помогут нам перейти к сле-
дующему этапу, на котором мы расшифруем эти механизмы
на молекулярном уровне. Они расскажут нам, как все это
работает, что позволит ученым создавать новые генетиче-
ские возможности, новые средства и методы борьбы с не-
излечимыми ранее болезнями.

К примеру, фармацевтические корпорации, включая
ProteinQure, Digital Health 150, Merck и Biogen, уже органи-
зуют 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 ис-
пользовать 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 веро-
ятностью способны привести к раку груди. Но цифровые
компьютеры не в состоянии определить точно, как эти де-
фектные гены вызывают рак. К тому же они бессильны оста-
новить рак, если он уже начал распространяться по телу.
Однако квантовые компьютеры, расшифровав молекуляр-
ные 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 старе-
ния населения Земли. При помощи цифровых компьюте-
ров можно показать, что с этой болезнью связаны мутации
определенных генов, таких как АроЕ4. Но цифровые ком-
пьютеры не в силах объяснить, почему это так.

Одна из основных теорий на этот счет состоит в том,
что болезнь Альцгеймера вызывается прионами — опре-
деленными неправильно свернутыми амилоидными бел-
ками в мозге. Когда такая молекула-мутант сталкивается
с другой, нормальной молекулой белка, она заставляет
эту молекулу тоже свернуться неправильно. Таким об-
разом, болезнь может передаваться при контакте, хотя
ни бактерии, ни вирусы при этом не задействуются. По-
дозревают, что именно прионы-перерожденцы стоят, воз-
можно, за болезнями Альцгеймера и Паркинсона, боко-
вым 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 тако-
вой. Но как в точности складывается белковая молекула,
не под силу разобраться ни одному традиционному ком-
пьютеру. Однако квантовые компьютеры смогут открыть
для нас новые способы нейтрализации аномальных белков
и снабдить новыми методами лечения.

Кроме того, упоминавшееся выше слияние ИИ и кванто-
вых компьютеров, вполне вероятно, окажется будущим ме-
дицины. ИИ-программы, такие как AlphaFold, уже смогли
составить подробные схемы атомной структуры 350 ооо —
поразительное количество! — различных типов белков,
включая полный набор белков, из которых состоит чело-
веческое 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 компью-
теры к нейросетям для создания нового поколения обучае-
мых машин, способных буквально изобрести самих себя за-
ново. 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. Кванто-
вые компьютеры могли бы экспоненциально ускорить этот
процесс и оказать исключительное влияние на медицину
и биологию.

Генеральный директор Google Сундар Пичаи сравни-
вает появление квантовых компьютеров с историческим
полетом братьев Райт в 1903 г. Само по себе первое испы-
тание 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 использо-
вать квантовый компьютер. Но чтобы по-настоящему по-
нять, какое влияние эта революция окажет на нашу повсе-
дневную жизнь, полезно еще раз восстановить в памяти
некоторые доблестные деяния прошлого, когда люди пыта-
лись исполнить мечту об использовании компьютеров для
моделирования и анализа окружающего нас мира.

И все это началось с загадочного объекта возрастом
2ооо 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 штуко-
вину. Среди осколков керамики, монет, украшений и ста-
туй, оказавшихся на дне вместе с потерпевшим крушение
кораблем, ныряльщики обнаружили объект, который стран-
ным образом отличался от прочих. Поначалу он выглядел
как бессмысленный кусок камня, покрытый коралловыми
наростами.

Но когда наслоения были сняты, археологи начали по-
нимать, что перед ними чрезвычайно редкое, единственное
в своем роде сокровище. Оно представляло собой устрой-
ство замысловатой конструкции, наполненное шестерен-
ками, колесиками и странными надписями.

По артефактам, найденным внутри корабля, удалось
примерно датировать находку; ученые решили, что устрой-
ство было изготовлено где-то между 150 и юо гг. до н. э. Не-
которые 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 томогра-
фии и поверхностного сканирования с высоким разреше-
нием смогли проникнуть внутрь этого загадочного объекта.
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)

Они были поражены: перед ними находилось древнее ме-
ханическое устройство, невероятно совершенное для сво-
его времени.

Нигде в древних записях нет никаких упоминаний
о настолько сложном механизме. Исследователи пони-
мали, что эта великолепная машина могла представлять
собой венец научного знания Древнего мира. Она была
подобна сверхновой звезде, сияние которой дошло до уче-
ных из минувших тысячелетий. Это был древнейший в мире
компьютер — устройство, равных которому не появится
еще 2ооо лет.

Ученые изготовили механические копии этого замеча-
тельного устройства. Поворот ручки — и целая серия слож-
ных колесиков и шпенечков приходит в движение впервые
за тысячи лет. Механизм имел по крайней мере 37 брон-
зовых шестеренок. Один комплект шестеренок рассчиты-
вал движение Солнца и Луны. Другой мог предсказывать
наступление следующего затмения Солнца. Прибор был
настолько чувствительным, что мог рассчитывать даже не-
большие 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 по-
ложение планет в небе в конкретный момент.

С тех пор ученым удалось создать подробные модели
внутреннего устройства прибора, которые дали истори-
кам беспрецедентную возможность глубже познакомиться
с объемом знаний и мышлением древних. Устройство озна-
меновало собой рождение совершенно новой области на-
уки, использующей механические устройства для моделиро-
вания Вселенной. Антикитерский механизм — древнейший
аналоговый компьютер, устройство, способное проводить
вычисления посредством непрерывного механического дви-
жения.

Итак, задачей первого в мире компьютера было моде-
лирование движения небесных тел, воспроизведение зага-
док космоса в устройстве, которое можно было держать
в руках. Вместо того чтобы просто смотреть в благоговей-
ном восторге в ночное небо, древние ученые хотели по-
дробно разобраться, как в нем все работает, а это дало бы
им дополнительную возможность лучше понять движение
небесных тел.
Квантовые компьютеры:
идеальная модель

Археологи выяснили, что Антикитерский механизм пред-
ставлял собой результат попыток наших предков смодели-
ровать космос. Если разобраться, именно эта многовеко-
вая потребность моделировать окружающий мир — одна
из движущих сил, стоящих за созданием квантового ком-
пьютера, а сам он представляет собой высшее достижение
2ооо лет усилий, направленных на моделирование всего
вокруг, от космоса до атома.

Моделирование — одна из наиболее глубоких потреб-
ностей человека. Дети играют в куклы — модели людей,
чтобы понять человеческое поведение. Играя в полицей-
ских и бандитов, в учителя и учеников или во врача и па-
циента, 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.

Бэббидж и его разностная машина

С падением Римской империи научный прогресс во мно-
гих областях, включая моделирование Вселенной, практи-
чески замер.

Только в XIX в. интерес к этому начал постепенно воз-
рождаться. К тому моменту возникло немало насущных
практических вопросов, ответить на которые можно было
только при помощи механических аналоговых компьюте-
ров.
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 точ-
ными.

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

Но человек часто допускает дорогостоящие и значимые
ошибки, без этого не обойтись. Поэтому интерес к созда-
нию механических суммирующих машин, которые не де-
лали бы подобных ошибок, был весьма острым. По мере
усложнения суммирующих машин развернулось нефор-
мальное соревнование между предприимчивыми изобрета-
телями за то, чья машина окажется наиболее совершенной.

Возможно, самый смелый из этих проектов принадле-
жал эксцентричному английскому изобретателю и мечта-
телю Чарльзу Бэббиджу, которого часто называют отцом
компьютера. Он отметился как любитель во множестве аб-
солютно разных областей, включая живопись и даже поли-
тику, 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 вычис-
лительную машину своего времени, которую могли бы ис-
пользовать банкиры, инженеры, моряки и военные для
безошибочного выполнения трудоемких, но важных рас-
четов. 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 су-
ществу, тем же новаторским путем, каким шли создатели
Антикитерского механизма). Также его занимало состав-
ление точных навигационных карт для морского судоход-
ства. Англия была одной из мощнейших морских держав,
а ошибки в навигационных картах могли стать причиной до-
рогостоящих катастроф. Бэббидж хотел создать самый мощ-
ный 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 последова-
телей-энтузиастов, чтобы те помогли в продвижении его
амбициозного проекта. Одним из таких последователей
стала леди Ада Лавлейс — аристократка и дочь лорда Бай-
рона. Кроме того, она серьезно изучала математику, что
было в то время большой редкостью среди женщин. Уви-
дев 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 ше-
стеренок и шпеньков, чтобы медленно и методично рассчи-
тывать числа одно за другим. Но для получения таблиц, со-
держащих 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 управ-
ляла бы последовательностью действий машины. Так что
Лавлейс написала серию подробных инструкций, по кото-
рым машина могла систематически генерировать так на-
зываемые 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 опубли-
кованный образец компьютерной программы.

Кроме того, Лавлейс признавала, что компьютер
не просто способен манипулировать числами, как счи-
тал Бэббидж, но в обобщенном виде может также описы-
вать 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 Бэб-
биджа его машины были ограничены работой с числами.
Лавлейс же видела... что число может представлять и дру-
гие сущности, не только количество. Поэтому, если у вас
есть машина для манипуляции числами, а эти числа пред-
ставляют другие вещи, к примеру буквы или музыкальные
ноты, то эта машина может по заданным правилам мани-
пулировать символами, среди которых числа — всего лишь
один пример»1.

В частности, Лавлейс указала, что компьютер можно
было бы запрограммировать на создание музыкальных
пьес. Она писала, что «машина могла бы сочинять изы-
сканные и техничные музыкальные пьесы любой степени
сложности и продолжительности»2. Так что компьютер в ее
представлении был не просто шикарной суммирующей ма-
шиной 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 революци-
онные концепции.

Между тем, поскольку денег Бэббиджу хронически
не хватало, к тому же он постоянно влезал в споры с кол-
легами, его мечта о создании самого совершенного механи-
ческого вычислителя своего времени так никогда и не осу-
ществилась. Когда он умер, многие его схемы и идеи умерли

вместе с ним.
В последующие годы ученые не раз пытались выяс-
нить точно, насколько совершенными были его машины.
Так, схема одной из незаконченных моделей содержала
25 ооо 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. Та-
кого гигантского объема памяти не появится у других ма-
шин вплоть до i960 г.

Примерно через юо лет после смерти Бэббиджа инже-
неры лондонского Музея науки, опираясь на его схемы и за-
писи, сумели достроить одну из его моделей и представить
публике получившийся образец. И эта машина работает, как
предсказывал в прошлом столетии Бэббидж.

Полна ли математика?

Пока инженеры строили все более сложные механические
вычислители в ответ на потребности развивающегося про-
мышленного мира, чистые математики задавались еще од-
ним вопросом. Еще древнегреческие геометры мечтали
продемонстрировать, что все истинные утверждения в ма-
тематике могут быть строго доказаны.

Примечательно, однако, что эта простая идея на про-
тяжении 2000 лет ставила математиков в тупик. Веками те,
кто изучал «Начала» Евклида, рассматривали геометриче-
ские объекты и пытались доказывать теорему за теоремой.
Шло время, блестящие мыслители доказывали все более
сложный набор истинных утверждений. Даже сегодня ма-
тематики зачастую проводят всю свою жизнь за состав-
лением десятков истинных утверждений, которые можно
доказать математическими методами. Но во времена Бэб-
биджа они начали задаваться еще более фундаменталь-
ным вопросом: полна ли математика? Гарантируют ли пра-
вила 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 недока-
зуемы?

В 1900 г. великий немецкий математик Давид Гильберт
составил список важнейших на тот момент недоказанных
математических вопросов и пригласил к их решению вели-
чайших в мире коллег. Этому замечательному списку нере-
шенных вопросов суждено было определить повестку мате-
матики на протяжении всего XX в., пока представленные
в нем задачи постепенно решались. Десятки лет молодые
математики искали себе чести и славы, сражаясь с неза-
конченными теоремами Гильберта — ив 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 ак-
сиом. В1931 г. на конференции, где Гильберт говорил о своей
программе, молодой австрийский математик Курт Гёдель
доказал, что это невозможно.

Это вызвало шок во всем математическом сообще-
стве. Две тысячи лет греческой мысли были полностью
и необратимо разбиты. Математикам всего мира остава-
лось 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 представле-
ний о физическом мире вокруг нас, оказалась путаной и
неполной.
Алан Тьюринг:
пионер информатики

Через несколько лет один молодой английский математик,
увлеченный знаменитой теоремой Гёделя о неполноте, на-
шел хитроумный способ полностью переосмыслить этот
вопрос. Этому событию суждено было навсегда изменить
ход развития информатики.

Исключительные способности Алана Тьюринга прояви-
лись очень рано. Преподавательница начальной школы, у ко-
торой он учился, писала, что среди учеников есть «умные
мальчики и усердные мальчики, но Алан — гений»3. Позже его
признали отцом информатики и искусственного интеллекта.

Тьюринг яростно стремился овладеть математикой, не-
смотря на трудности и жесткое противодействие. Директор
общеобразовательной школы, в которой он учился, активно
пытался отвратить юношу от науки, утверждая, что «он на-
прасно тратит время». Но такое противодействие только еще
больше укрепляло его решимость. Когда ему было 14 лет,
из-за всеобщей забастовки в стране встал транспорт, но Алану
так хотелось в школу, что он самостоятельно проехал почти
юо км на велосипеде, чтобы вовремя быть в классе.

Вместо того чтобы строить все более сложные сумми-
рующие машины вроде разностной машины Бэббиджа,
Алан Тьюринг со временем задал себе другой вопрос: су-
ществует ли математический предел тому, что может сде-
лать механический вычислитель?

Иными словами, может ли компьютер доказать все?

Для этого ему нужно было сделать информатику строгой
наукой, поскольку прежде она представляла собой всего лишь
случайный набор не связанных между собой идей и изобре-
тений чудаков-инженеров. Не существовало сколько-нибудь
системного способа обсуждать такие вопросы, как предел вы-
числимого. Так что в 1936 г. он предложил концепцию того,
что сегодня называют универсальной машиной Тьюринга, —
обманчиво простое устройство, воплотившее в себе суть вся-
кого вычисления и позволившее подвести под всю эту науч-
ную область прочное математическое основание. Сегодня
машины Тьюринга — фундамент для всех современных ком-
пьютеров. Все они, начиная от гигантских суперкомпьюте-
ров Пентагона и заканчивая сотовым телефоном в вашем
кармане, представляют собой образцы машин Тьюринга.
Не будет преувеличением сказать, что почти все современ-
ное общество построено на машинах Тьюринга.

Тьюринг представил себе бесконечно длинную ленту, раз-
деленную на серию квадратиков, или клеток. В каждый ква-
дратик можно вписать о или 1, а можно оставить его пустым.

Затем некий процессор читает эту ленту; ему разреша-
ется производить по ней всего шесть простых операций.
По существу, можно заменить о на i или наоборот, а также
сдвинуть процессор на одну клетку влево или вправо:

1.	Можно считать число в клетке.

2.	Можно записать в клетку число.

3.	Можно сдвинуться на одну клетку влево.

4.	Можно сдвинуться на одну клетку вправо.

5.	Можно изменить число в клетке.

6.	Можно остановиться.

(Программа машины Тьюринга пишется на двоичном
языке, а не в десятичной системе. В двоичной системе число
один записывается как 1, число два — как ю, число три —
как 11, число четыре — как юо и т.д. Существует также
память, где числа могут храниться.) Затем процессор дает
на выходе окончательный численный результат.

Иными словами, машина Тьюринга может взять одно
число и превратить его в другое, следуя точным командам,
содержащимся в программе. Так что Тьюринг свел мате-
Бесконечная лента

Рис. 2. Машина Тьюринга

Машина Тьюринга состоит из: а) бесконечно длинной цифровой
ленты, Ь) выходной цифровой ленты и с) процессора, который
переводит входную информацию в выходную в соответствии
с неким фиксированным набором правил. Это основа всех
современных цифровых компьютеров.

Mapping Specialists Ltd.

матику к игре: систематически заменяя о на i и наоборот,
можно зашифровать всю математику.

В статье, где излагались эти идеи, Тьюринг показал при
помощи краткого набора инструкций, что его машину можно
использовать для выполнения всех арифметических дей-
ствий, то есть она может складывать, вычитать, умножать
и делить. Затем он использовал этот результат, чтобы дока-
зать некоторые из наиболее сложных задач математики, пере-
фразируя все с точки зрения вычислимости. Вся совокупность
математики переписывалась с точки зрения вычислений.

Покажем, в частности, как решается на машине Тью-
ринга пример 2 + 2 = 4 и как это демонстрирует, что заши-
фровать таким образом можно всю арифметику. Начнем
ленту с входного условия, заданного числом 2, или ого. Затем
передвинемся к средней клетке, где стоит 1, и заменим ее
на о. Затем сделаем один шаг влево, где стоит о, и заменим
его на г. Теперь на ленте имеем юо, что соответствует четы-
рем. Обобщив эти команды, можно выполнить любую опе-
рацию, содержащую сложение, вычитание и умножение. По-
работав еще немного, можно также научиться делить числа.
Затем Тьюринг задал себе простой, но важный вопрос:
может ли пресловутая теорема Гёделя о неполноте, в ко-
торой задействована высшая математика, быть доказана
с использованием его машины, которая, с одной стороны,
намного проще, но, с другой, все же воплощает в себе суть
математики?

Тьюринг начал с определения вычислимости. Он сказал,
по сути, что теорема вычислима, если она может быть дока-
зана за конечное время машиной Тьюринга. Если некая тео-
рема требует бесконечного времени на машине Тьюринга,
то для всех целей и намерений эта теорема не является
вычислимой, и мы не знаем, верна она или нет. Следова-
тельно, она недоказуема.

Говоря простыми словами, Тьюринг выразил поднятый
Гёделем вопрос в компактной форме: существуют ли истин-
ные утверждения, которые не могут быть вычислены маши-
ной Тьюринга за конечное время при наличии заданного
набора аксиом?

Как и работа Гёделя, Тьюринг показал, что ответ на этот
вопрос — да.

Это, опять же, разрушило древнюю мечту доказать
полноту математики, но разрушило интуитивно понятным
и простым способом. Это означало, что, даже имея под ру-
кой самый мощный в мире компьютер, невозможно дока-
зать все истинные утверждения в математике за конечное
время при заданном наборе аксиом.

Компьютеры на войне

Тьюринг со всей очевидностью доказал, что является ма-
тематическим гением высочайшего класса. Но его иссле-
дования прервала Вторая мировая война. Во время войны
Тьюринг служил в британском военном учреждении
в Блетчли-парке недалеко от Лондона и выполнял сверхсе-
кретную работу. Задачей Тьюринга и его коллег была рас-
шифровка секретных нацистских кодов. Нацистские ученые
создали машину, получившую название «Энигма», которая
могла взять сообщение, записать его нераскрываемым ши-
фром, а затем отправить зашифрованное сообщение в лю-
бую точку земного шара, если там располагались военные
части нацистов. В зашифрованных сообщениях содержа-
лись самые важные инструкции в мире: планы нацистских
вооруженных сил, в частности флота. От взлома шифров
«Энигмы» зависела буквально судьба цивилизации.

Тьюринг и его коллеги, взявшись за эту важнейшую
задачу, начали с того, что сконструировали вычислитель-
ные машины, способные систематически взламывать эти
нераскрываемые шифры. Их первый результат, получив-
ший название «бомба», в некоторых отношениях напоми-
нал разностную машину Бэббиджа. Вместо предыдущих
механизмов, похожих на паровые двигатели, с медлен-
ными и постоянно заклинивающими шестеренками и ко-
лесиками, сложными в изготовлении, в «бомбе» использо-
вались электрические роторы, цилиндры и реле.

Но Тьюринг, кроме того, был задействован еще в одном
проекте — «Колосс», нацеленном на создание более хитро-
умной конструкции. Историки считают, что это был первый
в мире программируемый цифровой электронный компьютер.
Вместо механических деталей, как в разностной машине
или «бомбе», в нем использовались вакуумные трубки,
способные посылать электрические сигналы со скоростью,
близкой к скорости света. Вакуумные трубки можно срав-
нить с клапанами, которые управляют потоком воды. По-
ворачивая небольшую ручку, можно либо перекрыть воду,
текущую в гораздо более крупной трубе, либо позволить ей
течь беспрепятственно. Это, в свою очередь, может пред-
ставлять число о или 1. Таким образом, система водяных
труб и клапанов может быть своего рода цифровым вычис-
лителем, где вода подобна электрическому току. В машинах
Блетчли-парка целая батарея вакуумных трубок проводила
цифровые вычисления с громадной скоростью, включая
и выключая электрический ток в определенных трубках.
Таким образом, в результате работы Тьюринга и других уче-
ных аналоговый вычислитель был заменен цифровым ком-
пьютером. Один из вариантов «Колосса» содержал 2400 ва-
куумных трубок и занимал целую комнату.

Помимо того, что они быстрее, цифровые компьютеры
обладают еще одним преимуществом по сравнению с анало-
говыми системами. Представьте, что вам нужно сделать не-
сколько экземпляров одной и той же картинки на офисном
копировальном аппарате. Каждый раз, когда вы заново вос-
производите картинку, копируя ее, вы теряете некоторую часть
информации. Если вы воспроизводите картинку снова и снова,
со временем изображение все сильнее блекнет и в конечном
итоге исчезает вовсе. Так в аналоговых системах всякий раз при
копировании изображения могут возникать новые ошибки.

(А теперь сделаем иначе: оцифруем картинку, так чтобы
она представляла собой последовательность нулей и еди-
ниц. Да, при оцифровке некоторая часть информации бу-
дет потеряна. Однако цифровое сообщение теперь можно
копировать раз за разом практически без потерь на каждом
цикле. Так что цифровые компьютеры могут быть намного
более точными, чем аналоговые.

Кроме того, цифровые сигналы легко редактировать.
Аналоговые сигналы, к примеру изображения, изменять
чрезвычайно трудно. Но цифровые сигналы можно менять
обычным нажатием кнопки с использованием простых ма-
тематических алгоритмов.)

Под невероятным давлением военного времени Тью-
ринг и его команда сумели наконец взломать шифр наци-
стов где-то в 1942 г., что помогло нанести поражение гер-
манскому военному флоту в Атлантике. Вскоре союзники
смогли проникнуть в самые глубокие секретные замыслы
нацистских военных. Союзники получили возможность
подслушивать приказы нацистов войскам и раскрывать
их военные планы. Создание «Колосса» было завершено
в 1944 г., как раз к итоговой высадке в Нормандии, к кото-
рой нацисты как следует не подготовились. Это оконча-
тельно решило судьбу нацистской империи.

Это были чрезвычайно масштабные прорывы, некото-
рые из них были увековечены в фильме 2014 г. «Игра в ими-
тацию». Без ключевых достижений криптографов война
могла затянуться еще на несколько лет, что привело бы
к еще большим несчастьям и страданиям. По оценкам ис-
ториков, таких как Гарри Хинсли, работа Тьюринга и других
ученых в Блетчли-парке сократила войну примерно на два
года и спасла более 14 млн жизней. Благодаря научным до-
стижениям Тьюринга карта мира и жизнь огромного числа
невинных людей изменились кардинально и бесповоротно.

В США те, кто создал атомную бомбу, были объявлены
героями войны, сотворившими чудо, но в Великобритании
Тьюринга ждала иная судьба. Из-за действовавших в стране
законов о государственной тайне его достижения десятиле-
тиями хранились в секрете и никто не знал о том громад-
ном вкладе, который он внес в победу над врагом.

Тьюринг и создание
искусственного интеллекта

После войны Тьюринг вернулся к известной с незапамятных
времен проблеме, которая увлекла его еще в юности: про-
блеме искусственного интеллекта. В1950 г. свою эпохальную
статью по этому вопросу он начал с заявления: «Предлагаю
рассмотреть вопрос: могут ли машины думать?»

Или, говоря иными словами, является ли мозг своеоб-
разной машиной Тьюринга?

Он устал от бесконечных, тянувшихся веками философ-
ских дискуссий о смысле понятий разум и душа, о том, что
делает нас людьми. Он полагал, что в конечном счете все
эти дискуссии бессмысленны, поскольку для разума не су-
ществовало никакого определяющего теста или критерия.

Так что Тьюринг предложил свой знаменитый тест. По-
садите в изолированную комнату человека, а в соседнюю —
робота. Вам разрешается задавать каждому из них любые
вопросы в письменном виде и читать их ответы. Задача
состоит в следующем: сможете ли вы определить, в какой
из комнат находится человек? Сам Тьюринг назвал этот
тест имитационной игрой.

В статье он писал: «Я уверен, что примерно лет через
пятьдесят можно будет запрограммировать компьютеры
с объемом памяти около ю9 так, чтобы заставить их иг-
рать в имитацию настолько хорошо, что у среднестатисти-
ческого опрашивающего после пяти минут опроса будет
шанс правильно определить, машина ли это, не более чем
на 7О%»4.

Тест Тьюринга заменяет бесконечные философские де-
баты испытанием, которое легко провести и которое дает
простой ответ — да или нет. В отличие от философского
вопроса, ответа на который часто не существует, этот тест
вполне разрешим.

Более того, тест позволяет обойти скользкий вопрос
о «мышлении», поскольку просто сравнивает действия ро-
бота с тем, что может делать человек. Нет нужды опреде-
лять, что мы имеем в виду, когда говорим о понятиях «ра-
зум», «мышление» или «интеллект». Иными словами, если
нечто выглядит и действует как утка, то, может быть, это
и есть утка, как ее ни определяй. Тьюринг дал рабочее опре-
деление разума.

До сих пор ни одна машина не может стабильно про-
ходить тест Тьюринга. Каждые несколько лет СМИ подни-
мают шум, когда этот тест проводится, но каждый раз судьи
оказываются в состоянии различить человека и машину,
даже если машине разрешается лгать и выдумывать факты.

Несчастливая случайность положила конец исследова-
тельской работе Тьюринга.

В 1952 г. дом Тьюринга ограбили. Прибыв на место для
расследования, полиция обнаружила в доме свидетельства
того, что Тьюринг был геем. Он был арестован и осужден
по Закону 1885 г. о поправках к уголовному законодательству.
Наказание по нему было весьма суровым. Ему предоставили
выбор между тюрьмой и некой гормональной процедурой.
Когда он выбрал последнюю, ему дали диэтилстилбестрол —
синтетическую форму женского полового гормона эстро-
гена. Из-за этого препарата у него начала расти грудь и он
стал импотентом. Такое спорное лечение продолжалось год.
Затем однажды Тьюринга нашли дома мертвым. Он умер
от смертельной дозы цианида. Сообщалось, что рядом с ним
лежало наполовину съеденное отравленное яблоко; по мне-
нию некоторых, таким образом он совершил самоубийство.

Это была настоящая трагедия: один из творцов компью-
терной революции, который помог спасти миллионы жиз-
ней и обеспечить победу над фашизмом, был в определен-
ном смысле погублен своей собственной страной.

Но его наследие продолжает жить в каждом цифровом
компьютере на нашей планете. Сегодня любой компьютер
на Земле обязан своей архитектурой машине Тьюринга. Вся
мировая экономика зависит от инноваций, предложенных
этим человеком.

Но это только начало нашей истории. Работа Тьюринга
строилась на фундаменте так называемого детерминизма,
то есть идеи о том, что будущее предопределено. Это зна-
чит, что если несколько раз ввести в машину Тьюринга за-
дачу, то каждый раз вы будете получать один и тот же ответ.
В этом смысле все предсказуемо.

Поэтому, если бы Вселенная представляла собой машину
Тьюринга, то все будущие события в ней были бы предопре-
делены в момент ее рождения.

Но другой революции в наших представлениях о мире
суждено было разрушить эту идею. Детерминизм был
свергнут. Точно так же, как Гёдель, Тьюринг и другие по-
казали, что математика неполна, возможно, компьютерам
будущего придется разбираться с фундаментальной неопре-
деленностью, которую вводит физика.

Так что математики должны сосредоточиться на другом
вопросе: можно ли построить квантовую машину Тьюринга.
ГЛАВА 3

РОЖДЕНИЕ КВАНТА

Макс Планк — создатель квантовой теории — был
очень противоречивым человеком. С одной сто-
роны, он был крайне консервативен, возможно
потому, что его отец был профессором юриспруденции
в Кильском университете, а вся семья давно соблюдала са-
мую главную традицию — честно служить обществу. Дед
и прадед Макса были профессорами теологии, а один из его
дядьев — судьей.

В своей работе он был предельно внимателен, в обще-
нии и манерах всегда безупречен — в общем, принадлежал
к лучшим представителям своего класса. Судя по внешнему
виду, этот человек с мягкими манерами был бы последним,
кого бы вы заподозрили в том, что он станет одним из ве-
личайших революционеров всех времен и разобьет все за-
ботливо сформированные представления прошлых столе-
тий, открыв квантовые шлюзы. Но именно он это и сделал.

В 1900 г. ведущие физики были твердо убеждены, что
окружающий нас мир можно полностью объяснить через
работы Исаака Ньютона, законы которого описывали дви-
жение во Вселенной, и Джеймса Клерка Максвелла, от-
крывшего законы света и электромагнетизма. Всё, начи-
ная от движения гигантских планет в космосе и заканчивая
пушечными ядрами и молниями, Ньютон и Максвелл могли
объяснить. Говорили даже, что Патентное бюро США мо-
жет закрыться, поскольку всё, что могли изобрести, уже
изобрели.

Согласно Ньютону, Вселенная представляла собой часы.
Эти часы тикали потихоньку, подчиняясь в точности его
трем законам движения, и всё во Вселенной было предопре-
делено. Такая позиция называлась ньютоновским детерми-
низмом и правила бал на протяжении нескольких столетий.
(Иногда это называют классической физикой, чтобы отли-
чать ее от физики квантовой.)

Но существовала одна неизменная проблема. Остава-
лось несколько оборванных концов, потянув за которые
можно было со временем разрушить всю хитроумную нью-
тоновскую архитектуру.

Древние ремесленники знали, что, если глину нагреть
в горне до достаточно высокой температуры, она в конеч-
ном итоге начнет ярко светиться. Она нагреется сначала
до красного каления, потом до желтого и наконец до голу-
бовато-белого. Мы видим это всякий раз, когда зажигаем
спичку. На верхушке, где температура минимальна, пламя
красное. В центре оно желтое. А нижняя часть пламени
при подходящих условиях оказывается голубовато-белой.

Физики попытались вывести это хорошо известное свой-
ство горячих объектов, но потерпели фиаско. Они знали, что
теплота — это не что иное, как движение атомов. Чем выше
температура объекта, тем быстрее двигаются атомы. Физики
знали также, что атомы обладают электрическими зарядами.
Если двигать заряженный атом достаточно быстро, он будет
излучать электромагнитные волны (такие как радио или
свет), согласно законам Джеймса Клерка Максвелла. Цвет
горячего объекта указывает на частоту этого излучения.

Таким образом, пользуясь теорией Ньютона примени-
тельно к атому и теорией света Максвелла, можно рассчи-
тать свет, излучаемый горячим объектом. И пока все идет
хорошо.
Но при проведении реального расчета происходит ката-
строфа. Выясняется, что испускаемая энергия при высоких
частотах может стать бесконечной, что невозможно. Это
называется катастрофой Рэлея — Джинса. Она наглядно
показала физикам, что в классической ньютоновской ме-
ханике зияет дыра.

Однажды Планк попытался вывести для своих студентов-
физиков катастрофу Рэлея — Джинса, но при помощи не-
обычного нового метода. Ему надоело демонстрировать это
одинаково, все тем же старым добрым способом, поэтому
из чисто педагогических соображений он сделал экстрава-
гантное допущение. Он предположил, что энергия, испускае-
мая атомом, может выдаваться лишь крохотными дискрет-
ными порциями, которые называются квантами. Это была
ересь, конечно, ведь уравнения Ньютона утверждали, что
энергия должна быть непрерывна, а не складываться из пор-
ций. Но Планк, постулировав, что энергия излучается пор-
циями определенного объема, получил в точности правиль-
ную кривую, связывающую температуру и энергию света.

Это было открытие на века.

Рождение квантовой теории

Это стало первым шагом в длительном процессе, который
привел нас в конце концов к созданию квантового ком-
пьютера.

Революционное откровение Планка означало, что нью-
тоновская механика неполна и должна появиться новая фи-
зика. Всё, что, как нам на тот момент казалось, мы знали
о Вселенной, требовалось полностью переписать.

Но, будучи настоящим консерватором, Планк выдви-
нул свою идею осторожно: он дипломатично заявил, что
если применить в качестве упражнения фокус с порциями
энергии, то удастся в точности воспроизвести реальную,
то есть полученную в ходе натурного эксперимента, кри-
вую энергии.

Для проведения расчета ему пришлось ввести число,
представляющее размер кванта энергии. Планк обозначил
его h (теперь это число известно как постоянная Планка
и равно 6,62... х io-34 Дж*с). Это невероятно малое число.
Мы в нашем мире никогда не видим квантовых эффектов,
потому что h так мала. Но если бы можно было каким-то
образом менять h, это позволило бы непрерывно перехо-
дить из квантового мира в наш повседневный мир. Почти
как при вращении ручки плавной настройки радиоприем-
ника, можно было бы свернуть эту постоянную в самый
низ, так чтобы h = о, и тогда мы получили бы нормальный
ньютоновский мир, полностью соответствующий здравому
смыслу и лишенный каких бы то ни было квантовых эффек-
тов. Но стоит повернуть ручку в другую сторону — и мы
получаем безумный субатомный мир кванта, мир, напоми-
нающий, как вскоре обнаружат физики, «сумеречную зону».

То же применимо и к компьютеру. Если бы мы снизили
h до нуля, мы пришли бы к классической машине Тью-
ринга. Но если повысить h, начинают проявляться кванто-
вые эффекты и машина Тьюринга постепенно превращается
в квантовый компьютер.

Теория Планка, несомненно, соответствовала экспери-
ментальным данным и к тому же открыла для нас совер-
шенно новую область физики. Но самого его много лет
преследовали упрямые твердолобые приверженцы класси-
ческой ньютоновской идеи. Описывая волну противодей-
ствия, Планк писал: «Новая научная истина утверждает себя
не тем, что убеждает своих оппонентов и заставляет их уви-
деть свет, а тем, что оппоненты в конце концов вымирают
и вырастает новое поколение, уже с ней знакомое»1.
Но, каким бы яростным ни было сопротивление,
в пользу квантовой теории накапливалось все больше сви-
детельств. Она, бесспорно, была верна.

К примеру, свет, падая на металлическую поверхность,
может выбивать из нее электроны, которые создают слабый
электрический ток; это явление известно как фотоэлектри-
ческий эффект. Именно он позволяет солнечной панели
поглощать свет и преобразовывать его в электричество.
(Он также широко используется во многих устройствах,
таких как калькуляторы на солнечной энергии, в которых
обычные батарейки заменяются на небольшие солнечные
элементы, и современные цифровые камеры, преобразую-
щие свет от объекта в электрические сигналы.)

Человек, которому удалось в конце концов объяснить
этот эффект, был никому не известным физиком без гроша
за душой, зарабатывавшим на жизнь в каком-то патентном
бюро в швейцарском Берне. Будучи студентом, он пропускал
так много занятий, что профессора в рекомендательных
письмах охарактеризовали его весьма нелестно — в резуль-
тате после выпуска его не брали ни на одну преподаватель-
скую должность. Он часто оставался без работы, переби-
ваясь случайными заработками в роли домашнего учителя
или коммивояжера. Он даже посетовал в письме родите-
лям, что, возможно, ему лучше было бы вообще не ро-
ждаться. В итоге он устроился мелким клерком в патентное
бюро. Люди назвали бы его неудачником.

Человеком, объяснившим фотоэлектрический эффект,
был Альберт Эйнштейн, и сделал он это при помощи тео-
рии Планка. Вслед за Планком Эйнштейн заявил, что энер-
гия света может существовать в виде дискретных порций,
или квантов, энергии (позже их назвали фотонами), спо-
собных выбивать электроны из металла.

Таким образом, начал вырисовываться новый физиче-
ский принцип. Эйнштейн ввел понятие «дуализм», то есть
заявил, что энергия света имеет двойственную природу.
Свет может вести себя как частица — фотон — или как
волна (что происходит в оптике). Свет каким-то образом
имеет две возможные формы.

В1924 г. молодой аспирант Луи де Бройль, воспользовав-
шись идеями Планка и Эйнштейна, совершил следующий
большой скачок. Если свет может существовать одновре-
менно как частица и как волна, то почему вещество не мо-
жет? Возможно, электроны тоже обладают двойственной
природой.

Это было еретическое заявление, ведь считалось, что
вещество состоит из частиц, именуемых атомами, — эту
идею высказал еще Демокрит 2000 лет назад. Но в конеч-
ном итоге один хитроумный эксперимент опроверг это
представление.

Когда вы бросаете камни в пруд, на месте их падения
образуются круговые волны, которые расширяются, а затем
сталкиваются между собой, создавая на поверхности пруда
рисунок взаимодействия (интерференции), напоминающий
паутину. Это объясняет свойства волн, но вещество счита-
лось состоящим из точечных частиц, которые не должны
давать волноподобной интерференционной картины.

Но возьмем для начала два параллельных листа бу-
маги. В первом листе прорежем две узкие щели и напра-
вим на них луч света. Поскольку свет обладает волнопо-
добными свойствами, на втором листе появится четкий
рисунок из темных и светлых полос. Поскольку свет про-
ходит сквозь обе щели и на втором листе волны взаимо-
действуют, усиливая и ослабляя друг друга, получаем харак-
терный рисунок полос, называемый интерференционной
картиной. Это явление было хорошо известно.

Но теперь изменим этот эксперимент, заменив световой
луч пучком электронов. Если пропустить пучок электронов
сквозь две щели в первом листе бумаги, то следовало бы
электронная
пушка

двойная щель интерференционная

картина

Рис. 3- Эксперимент с двойной щелью

Если пучок электронов падает на экран с двумя щелями,
то вместо изображения с двумя четкими полосками он
образует на втором экране сложную волноподобную
интерференционную картину. Это верно и в том случае,
если на экран направляется только один электрон.

Получается, что единственный электрон в определенном
смысле прошел сквозь обе щели сразу. Даже сегодня
физики продолжают спорить, как электрон может
находиться в двух местах одновременно.

Mapping Specialists Ltd.

ожидать, что на втором листе в соответствующих местах
появятся две четкие яркие полоски. Поскольку электрон
считался точечной частицей, он должен был пройти либо
сквозь первую щель, либо сквозь вторую, но не сквозь обе
сразу.

Воспроизведя известный эксперимент с электронами,
исследователи, вопреки ожиданиям, обнаружили волно-
образный рисунок, аналогичный интерференционной кар-
тине, получаемой от светового луча. Электроны вели себя
так, будто были волнами, а не только точечными части-
цами. Атомы долгое время считались неделимой единицей
вещества. Теперь же они расплывались волнами, подобно
свету. Эти эксперименты продемонстрировали, что атом
может вести себя и как волна, и как частица.

Однажды австрийский физик Эрвин Шрёдингер обсу-
ждал с кем-то из коллег идею материи как волны. Но если
материя может вести себя как волна, спросил его приятель,
то какому уравнению она должна подчиняться?

Шрёдингера заинтриговал этот вопрос. Физики были
довольно хорошо знакомы с волнами, поскольку с их по-
мощью удобно было изучать оптические свойства света;
кроме того, обобщенные свойства волн часто исследова-
лись на примере океанских волн или звуковых волн в му-
зыке. Так что Шрёдингер решил найти волновое уравнение
для электрона. Этому уравнению суждено было полностью
перевернуть наши представления о Вселенной. В каком-то
смысле вся Вселенная со всеми ее химическими элемен-
тами, включая вас и меня, суть решения волнового урав-
нения Шрёдингера.

Рождение волнового уравнения

Сегодня волновое уравнение Шрёдингера — нерушимая
основа квантовой теории. Его изучают в любом продвину-
том курсе физики. Это сердце и душа квантовой теории.
Я в Городском университете Нью-Йорка иногда посвящаю
целый семестр изучению выводов из этого единственного
уравнения.

С тех пор историки изо всех сил пытаются понять, чем
занимался Шрёдингер в то самое мгновение, когда нашел
это знаменитое уравнение, лежащее в основе квантовой
теории. Кто или что вдохновило его на создание одного
из величайших творений века?
Биографам давно известно, что Шрёдингер славился
многочисленными любовными историями. (Он верил в сво-
бодную любовь и вел дневник, куда записывал всех своих
любовниц и тайными знаками отмечал каждое свидание.
Он любил удивлять гостей тем, что путешествовал сразу
и с женой, и с любовницей.)

Исследуя записные книжки Шрёдингера, историки схо-
дятся на том, что в тот самый уикенд, когда было найдено
знаменитое уравнение, он был с одной из своих приятель-
ниц на вилле Хервиг в Альпах. Некоторые историки на-
звали эту девушку музой и вдохновительницей квантовой
революции.

Уравнение Шрёдингера стало настоящей бомбой
и имело ошеломляющий успех. Прежде физики, такие как
Эрнест Резерфорд, считали, что атом похож на солнечную
систему, где крохотные точечные электроны летают по ор-
битам вокруг ядра. Однако эта картина оказалась слиш-
ком упрощенной, поскольку ничего не сообщала о струк-
туре атома и о том, почему существует так много разных
элементов.

Но если электрон — волна, то он, вращаясь вокруг ядра,
должен выдавать дискретные резонансы определенных ча-
стот. Когда был составлен список резонансов, доступных
единственному электрону, получился волновой спектр,
в точности соответствовавший описанию атома водорода.

Как это работает? Когда мы поем в ванной комнате,
лишь некоторые частоты нашего голоса могут резониро-
вать между стен, формируя приятный звук. В душе каж-
дый из нас вдруг становится великим оперным певцом.
Другие частоты, не укладывающиеся нужным образом вну-
три душа, постепенно ослабевают и исчезают совсем. Ана-
логично, если мы бьем в барабан или дуем в трубу, лишь
некоторые частоты получают возможность вибрировать
на поверхности или внутри. Это основа музыки.
Сравнив резонансы, предсказанные волнами Шрёдин-
гера, с параметрами реальных элементов, каждый мог убе-
диться в замечательном взаимно однозначном соответ-
ствии. Физики, десятилетиями безуспешно пытавшиеся
понять атом, теперь получили возможность покопаться
внутри самого атома. Сравнивая рисунки волновых полей
почти сотни химических элементов, обнаруженных в при-
роде Дмитрием Менделеевым и другими учеными, можно
было объяснять химические свойства этих элементов при
помощи чистой математики.

Это было выдающееся достижение. Физик Поль Ди-
рак пророчески писал: «Таким образом, фундаментальные
законы, необходимые для математической обработки зна-
чительной части физики и всей химии, теперь известны
полностью, и сложность заключается лишь в том, что при-
менение этих законов ведет к уравнениям, которые слиш-
ком сложны, чтобы их решить»2.

Квантовый атом

Периодическую таблицу химических элементов, которую
ученые так кропотливо и с таким трудом собирали не-
сколько столетий, теперь можно было объяснить при по-
мощи одного простого уравнения, решив его для резонан-
сов электронных волн, закручивающих свои вихри вокруг
ядра атома.

Чтобы увидеть, как периодическая таблица вырастает
из уравнения Шрёдингера, представьте себе атом как го-
стиницу. На каждом этаже имеется разное число комнат,
а каждая комната может вместить до двух электронов. Да-
лее, комнаты должны заполняться в определенном порядке,
то есть, прежде чем бронировать комнаты второго этажа,
следует сначала заполнить комнаты первого этажа. На пер-
вом этаже у нас имеется комната, или «орбиталь», под на-
званием 1S, в которой могут проживать один или два элек-
трона. Комната 1S соответствует водороду в случае одного
жильца и гелию в случае двух.

На втором этаже у нас имеются комнаты двух типов,
называемые орбиталями 2S и 2Р. В комнате 2S мы можем
разместить два электрона, но, помимо этого, у нас есть три
комнаты Р, обозначенные Рх, Ру и Pz, и в каждой может по-
селиться до двух электронов. Это значит, что всего на вто-
ром этаже мы можем разместить до восьми электронов.
Этим комнатам по мере их заполнения соответствуют ли-
тий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и неон.

Когда электрон в комнате не имеет пары, он может од-
новременно присутствовать в разных гостиницах, где есть
свободные номера. Так что, когда два атома сближаются
между собой, волна одного непарного электрона может
стать общей для них обоих — в этом случае электронная
волна все время перемещается от одного атома к другому
и обратно. Это создает связь между атомами, формируя
молекулу.

Законы химии можно объяснить с помощью заполне-
ния гостиничных комнат. На нижнем уровне, если у нас на
S-орбитали присутствует два электрона, орбиталь 1S полна.
Это означает, что гелий, имеющий всего два электрона,
не может образовывать никаких химических связей, то есть
он химически инертен и не образует никаких молекул. Ана-
логично, если на втором уровне присутствует восемь элек-
тронов, ими заполнены все орбитали, так что неон тоже
не может образовывать никаких молекул. Таким образом
можно объяснить существование инертных газов, таких как
гелий, неон, криптон.

Это помогает также объяснить химию всего живого.
Важнейший органический элемент — углерод — имеет
четыре связи и потому может образовывать углеводород-
ные соединения, которые служат строительными кирпи-
чиками жизни. Глядя на таблицу, мы видим, что углерод
имеет четыре пустые орбитали на втором уровне, что позво-
ляет ему формировать связи с четырьмя другими атомами
кислорода, водорода и т.д., образуя белки и даже моле-
кулы ДНК. Молекулы нашего тела — косвенные следствия
из этого простого факта.

Дело в том, что, определив, сколько электронов распо-
лагается на каждом уровне, можно легко и красиво пред-
сказать многие химические свойства элементов в перио-
дической таблице при помощи чистой математики. Таким
образом, вся периодическая таблица в значительной сте-
пени предсказуема на основе фундаментальных принципов.
Все сто с лишним элементов таблицы могут быть примерно
описаны электронами в различных резонансных позициях,
вращающимися вокруг ядра, — как будто заполняющими
гостиничные комнаты, этаж за этажом.

От осознания того, что одно уравнение способно объяс-
нить элементы, из которых состоит вся Вселенная, включая
и саму жизнь, у ученых захватило дух. Вселенная внезапно
оказалась проще, чем все думали.

А химия оказалась сведена к физике.

Волны вероятности

Каким бы впечатляющим и всесильным ни было уравнение
Шрёдингера, оставался все же один важный, но не очень
удобный вопрос. Если электрон — это волна, а значит, есть
колебание, то что именно колеблется?

Ответу на этот вопрос суждено было разделить сооб-
щество ученых-физиков ровно пополам, настроив одних
против других на десятилетия вперед. От этой искры раз-
горелся один из самых противоречивых споров за всю ис-
торию науки, бросивший вызов нашим представлениям
о законах бытия. Даже сегодня проходят конференции,
на которых обсуждаются математические нюансы и фило-
софские последствия давнего раскола. А одним из побоч-
ных продуктов этого спора, как выяснилось позже, стал как
раз квантовый компьютер.

Фитиль этого взрыва поджег физик Макс Борн, кото-
рый постулировал, что вещество состоит из частиц, но ве-
роятность нахождения этих частиц в определенной точке за-
дается волной.

Это мгновенно раскололо сообщество физиков надвое,
причем представители «старой» гвардии (включая Планка,
Эйнштейна, де Бройля и Шрёдингера, которые дружно от-
вергли новую интерпретацию) оказались на одной стороне,
а Вернер Гейзенберг и Нильс Бор — на другой (они поло-
жили начало Копенгагенской школе квантовой механики).

Новая интерпретация оказалась слишком смелой даже
для Эйнштейна. Она означала, что вычислять можно только
вероятности и никогда — точные данные. Никогда нельзя
знать точно, где находится частица; можно лишь рассчитать
вероятность того, что она находится в данной точке. В некото-
ром смысле электроны действительно могут находиться в двух
местах одновременно. Вернер Гейзенберг, предложивший аль-
тернативную, хотя и эквивалентную, формулировку кванто-
вой механики, назвал это принципом неопределенности.

Вся наука переворачивалась с ног на голову прямо на гла-
зах изумленных зрителей. Сначала математиков вынудили
принять теорему о неполноте, а теперь физикам приходи-
лось разбираться с принципом неопределенности. Физика,
как и математика, оказалась в некотором роде неполной.

Таким образом, с учетом новой интерпретации прин-
ципы квантовой теории можно было наконец сформулиро-
вать. Приведем краткую сводку (очень упрощенную) основ
квантовой механики:

1.	Начнем с волновой функции Т(х), описывающей
электрон в точке х.

2.	Вставим эту волну в уравнение Шрёдингера НТ(х) =
= i(/i/27r)3t4/(x). (Величина Н, известная как гамиль-
тониан, соответствует энергии системы.)

3.	Каждое решение этого уравнения снабжается индек-
сом п, так что в целом Т(х) есть сумма, или супер-
позиция, всего этого множества состояний.

4.	Когда производится измерение, волновая функция
схлопывается, оставляя лишь одно состояние, к при-
меру Т(х)п; все остальные волновые функции ста-
новятся равными нулю. Вероятность обнаружить
электрон в этом состоянии задается абсолютным
значением Ч/(х)п.

По этим простым правилам можно, в принципе, выве-
сти все, что нам известно в химии и биологии. Противоре-
чия квантовой механики заключены в третьем и четвертом
утверждениях. Третье утверждение гласит, что в субатом-
ном мире электрон может существовать одновременно как
сумма различных состояний, что невозможно в ньютонов-
ской механике. Мало того, до момента измерения элек-
трон в этом потустороннем мире действительно существует
в виде множества различных состояний.

Но самое важное и самое скандальное заявление здесь —
четвертое, которое гласит, что только после того, как изме-
рение проведено, волна наконец схлопывается и формирует
верный ответ, задавая вероятность обнаружить электрон
в этом состоянии. Невозможно узнать, в каком состоянии
находится электрон, пока не будет произведено измерение.

Это называется проблемой измерения.
Полемизируя с этим последним заявлением, Эйнштейн
сказал: «Бог не играет в кости со Вселенной». И согласно ле-
генде, Нильс Бор парировал: «Перестаньте указывать Богу,
что делать».

Именно постулаты з и 4 делают квантовые компьютеры
возможными. Электрон теперь описывается как одномо-
ментная сумма по различным квантовым состояниям, что
и придает квантовым компьютерам такую вычислительную
мощь. Если классические компьютеры суммируют только
по нулям и единицам, то квантовые суммируют по всем
квантовым состояниям Тп (х) от о до 1, что многократно
увеличивает число состояний и, соответственно, их диапа-
зон и мощность.

По иронии судьбы, Шрёдингер, уравнения которого
в самом начале дали старт бродячему цирку квантовой ме-
ханики, начал жестко критиковать этот вариант собствен-
ной теории. Он высказывал сожаление, что когда-то имел
к ней какое-то отношение. Он считал, что достаточно найти
какой-нибудь простой парадокс, демонстрирующий абсурд-
ность этой радикальной интерпретации, чтобы разрушить
ее навсегда. И началось все с кота.

Кот Шрёдингера

Кот Шрёдингера — самое знаменитое животное в истории
физики. Сам Шрёдингер был убежден, что он — кот — сне-
сет эту ересь раз и навсегда. Представьте себе, писал он, что
кот находится в герметично запечатанном ящике, содержа-
щем также ампулу с ядовитым газом. Ампула находится под
прицелом молотка, а тот, в свою очередь, соединен со счет-
чиком Гейгера, рядом с которым имеется некоторое коли-
чество урана. Если какой-нибудь атом урана распадется, он
Рис. 4- Кот Шрёдингера

В квантовой механике, чтобы описать кота в запечатанном
ящике, который содержит ампулу с ядовитым газом
и молоток, высвобождаемый срабатыванием счетчика
Гейгера, необходимо сложить волновую функцию
мертвого кота с волновой функцией живого кота. Пока вы
не открыли ящик, кот не жив и не мертв. Кот находится
в суперпозиции двух состояний. Даже сегодня физики
продолжают спорить о том, как кот может быть мертвым
и живым одновременно.

Mapping Specialists Ltd.

активирует счетчик Гейгера; счетчик освободит молоток,
молоток разобьет ампулу, ядовитый газ выйдет и убьет кота.

Вопрос, который на протяжении столетия приводил
в замешательство ведущих физиков мира, стоит так: пре-
жде чем вы открыли ящик, кот в нем жив или мертв?

Последователь Ньютона сказал бы, что ответ очевиден:
здравый смысл подсказывает, что кот либо жив, либо мертв,
но не то и другое сразу. В каждый момент времени можно
находиться лишь в одном состоянии. Даже если вы еще
не открыли ящик, судьба кота в нем уже решена.

Однако Вернер Гейзенберг и Нильс Бор предложили
принципиально иную интерпретацию.

Говорят, что кота лучше всего представляет сумма двух
волн: волны живого кота и волны мертвого кота. Пока ящик
запечатан, кот может существовать лишь в виде суперпози-
ции, или суммы, двух волн, одновременно представляющих
мертвого и живого кота.

Но все же, жив кот или мертв? До тех пор, пока ящик
запечатан, этот вопрос не имеет смысла. В микромире объ-
екты существуют не в определенных состояниях, но лишь
как сумма всех возможных состояний. Наконец, когда ящик
открыт и вы видите кота, волна волшебным образом схло-
пывается и демонстрирует вам его либо в живом виде, либо
в мертвом, но не в обоих сразу. Так что процесс измерения
соединяет микромир с макромиром.

Это имело глубокий философский подтекст. Ученые
не одно столетие боролись против явления, известного как
солипсизм, — идеи, которой придерживались такие фило-
софы, как Джордж Беркли; они считали, что объекты не су-
ществуют в реальности, если вы их не наблюдаете. Кратко
эту философию можно сформулировать так: «Существо-
вать — значит быть наблюдаемым». Если бы в глубине леса
упало дерево, но никого не оказалось рядом, чтобы услы-
шать его падение, то, возможно, дерево вовсе и не падало.
Реальность в этой картине мира — всего лишь человече-
ский конструкт. Или, как сказал однажды поэт Джон Китс,
«реальным становится только то, что пережито в действи-
тельности».

Однако квантовая теория только ухудшила ситуацию.
В квантовой теории, пока вы не посмотрите на дерево, оно
может существовать во всех возможных состояниях, та-
ких как дрова, строевой лес, пепел, зубочистки, дом или
опилки. Но стоит вам реально посмотреть на это дерево,
и все волны, представляющие эти состояния, чудесным об-
разом схлопываются в один-единственный объект — обыч-
ное дерево.

Но, поскольку наблюдателю необходимо сознание, все
это означает в каком-то смысле, что сознание определяет
бытие. Последователи Ньютона были в ужасе — солипсизм
вновь пробирался в науку.

Эйнштейну эта идея очень не нравилась. Подобно Нью-
тону, Эйнштейн верил в «объективную реальность», что
означает, что объекты существуют в конкретных, четко
определенных состояниях, то есть невозможно находиться
в двух местах одновременно. Такой подход известен также
как ньютоновский детерминизм — идея о том, что, как
мы уже видели, при помощи фундаментальных законов
физики можно точно предсказать будущее.

Эйнштейн любил подшучивать над квантовой теорией.
Всякий раз, когда в его доме появлялись гости, он просил их
посмотреть на луну. Неужели луна существует, спрашивал
он, только потому, что на нее смотрит какая-нибудь мышь?

Микромир и макромир

Математик Джон фон Нейман, участвовавший в прора-
ботке физических аспектов квантовой теории, считал, что
существует некая невидимая «стена», отделяющая микро-
мир от макромира. Они подчиняются разным законам фи-
зики, но доказано, что эту стену можно двигать вперед и на-
зад и результат любого эксперимента при этом останется
прежним. Иными словами, в микромире и в макромире
действуют разные физические законы, но это не влияет
на результаты измерений, поэтому не имеет значения, где
в точности вы решите провести границу между этими ми-
рами.

Когда Неймана просили пояснить смысл этой стены, он
обычно говорил: «К ней просто привыкаешь».

Но, как бы безумно ни выглядела квантовая теория,
ее экспериментальный успех был несомненен. Многие ее
предсказания (при предсказании свойств электронов и фо-
тонов в области так называемой квантовой электродина-
мики) сходятся с экспериментальными данными до одной
десятимиллиардной доли, что делает квантовую теорию
самой успешной теорией всех времен. Атом, считавшийся
когда-то самым загадочным объектом во Вселенной, вне-
запно раскрыл перед учеными все свои глубочайшие тайны.
Физики следующего поколения — те, кто легко принял
квантовую теорию, — получили десятки Нобелевских пре-
мий. Ни в одном эксперименте квантовая теория не нару-
шается.

Наша Вселенная, несомненно, имеет квантовый характер.

Но Эйнштейн, суммируя успехи квантовой теории, за-
явил: «Чем успешнее становится квантовая теория, тем глу-
пее она выглядит».

Что не нравилось критикам квантовой теории силь-
нее всего, так это искусственное разделение между макро-
миром, в котором мы живем, и странным, противореча-
щим здравому смыслу миром кванта. Критики говорили,
что должен существовать плавный, непрерывный переход
из микромира в макромир. В реальности никакой «стены»
нет.

Так, если бы мы могли — гипотетически — жить в пол-
ностью квантовом мире, это означало бы, что всё, что мы
знаем о здравом смысле, неверно. К примеру:

•	Мы можем находиться в двух местах одновременно.

•	Мы можем исчезать и появляться где-то в другом
месте.

•	Мы можем проходить сквозь стены и преодолевать
барьеры без всяких усилий, методом так называе-
мого туннелирования.

•	Люди, умершие в нашей Вселенной, могут быть
живы в какой-то другой.
•	Проходя по комнате, мы на самом деле перемеща-
емся одновременно по бесконечному числу возмож-
ных маршрутов в ней, сколь угодно причудливых.

Как сказал бы Бор, «любой, кто не шокирован кванто-
вой теорией, не понимает ее».

Все это отличный материал для «Сумеречной зоны».
Но электроны чудесным образом делают именно это, —
разве что происходит все это в основном внутри атома,
где мы не можем их видеть, поэтому подобная их гимна-
стика остается скрытой от наших глаз. Вот почему у нас есть
лазеры, транзисторы, цифровые компьютеры, интернет.
Исаак Ньютон был бы потрясен, если бы увидел те атомные
танцы, что исполняют электроны, чтобы компьютеры и ин-
тернет могли работать. Но современный мир рухнул бы,
если бы мы поставили квантовую теорию вне закона и при-
равняли постоянную Планка к нулю. Все чудесные элек-
тронные устройства в вашей гостиной работают именно
потому, что электроны способны проделывать все эти фан-
тастические трюки.

Но мы никогда не видим эти эффекты в нашей обыч-
ной жизни, поскольку сами состоим из многих триллионов
атомов, где эти квантовые эффекты усредняются и компен-
сируют друг друга и поскольку размеры квантовых флук-
туаций определяются постоянной Планка h, которая пред-
ставляет собой очень малое число.

Запутанность

В1930 г. Эйнштейну надоело. На Шестом Сольвеевском кон-
грессе в Брюсселе он решил вступить в прямое противобор-
ство с Нильсом Бором, ведущим сторонником квантовой
механики. Их столкновение должно было стать «битвой ти-
танов», где величайшие физики своего времени спорили бы
о судьбе физики и природе реальности. Физик Пауль Эрен-
фест писал: «Я никогда не забуду, с каким видом два оппо-
нента покидали университетский клуб. Эйнштейн — вели-
чественная фигура — шел спокойно с легкой иронической
улыбкой, а Бор семенил рядом с ним, чрезвычайно рас-
строенный»3. Бор был так потрясен, что позже коллеги ви-
дели, как он бормотал про себя: “Эйнштейн... Эйнштейн...
Эйнштейн../’»

Физик Джон Арчибальд Уилер вспоминал: «Это была
величайшая известная мне дискуссия в интеллектуальной
истории. За тридцать лет мне не приходилось слышать
о споре между двумя более великими учеными, о споре
более длительном и посвященном более глубокому вопросу,
который имел бы более глубокие последствия для понима-
ния нашего странного мира»4.

Снова и снова Эйнштейн бомбардировал Бора пара-
доксами квантовой теории. Он был безжалостен. Каждый
новый заряд критики на какое-то время ошеломлял Бора,
но уже на следующий день он собирался с мыслями и давал
убедительный неопровержимый ответ. Однажды Эйнштейн
поймал Бора на очередном парадоксе, связанном со све-
том и гравитацией. Казалось, Бору наконец поставлен мат.
Но по иронии судьбы Бор сумел найти ошибку в рассужде-
ниях Эйнштейна, процитировав собственную Эйнштейнову
теорию гравитации.

Приговор большинства физиков гласил, что Бор успешно
отразил все аргументы, выдвинутые Эйнштейном на том
знаменитом Сольвеевском конгрессе. Но Эйнштейн — воз-
можно, страдая от этого поражения — сделал еще одну по-
пытку опрокинуть квантовую теорию.

Решительную контратаку Эйнштейн совершил пять лет
спустя. Вместе со студентами Борисом Подольским и Ната-
ном Розеном он предпринял последнюю отважную попытку
раз и навсегда сокрушить квантовую теорию. Парадокс ЭПР,
названный по именам авторов, должен был нанести этой
теории последний удар.

Квантовому компьютеру суждено было стать одним
из непредвиденных побочных продуктов того судьбонос-
ного вызова.

Представьте, говорили Эйнштейн, Подольский и Розен,
два электрона, которые когерентны между собой, то есть
колеблются в унисон (с одинаковой частотой и постоянным
сдвигом по фазе). Хорошо известно, что электроны обла-
дают спином (благодаря этому их свойству существуют маг-
ниты) . Если мы имеем два электрона с суммарным спином,
равным нулю, и предположим, что один из них вращается,
скажем, по часовой стрелке, то второй обязательно будет
вращаться против часовой стрелки, поскольку их общий
спин равен нулю.

Теперь разделим эти два электрона. Сумма их спи-
нов должна быть по-прежнему равна нулю, даже если
один из электронов окажется на другом конце Галактики.
Но узнать, как он вращается, невозможно, пока не про-
изведешь измерение. Как ни странно, если вы измерите
спин одного из электронов и обнаружите, что он вращается
по часовой стрелке, вы мгновенно узнаете, что его парт-
нер на другом конце Галактики, должно быть, вращается
против часовой стрелки. Эта информация мгновенно —
быстрее скорости света — преодолела расстояние между
двумя электронами. Иными словами, когда вы разделяете
два когерентных электрона, между ними формируется неви-
димая пуповина, что позволяет поддерживать связь по ней
со скоростью, превышающей скорость света.

Но, как утверждал Эйнштейн, поскольку ничто не мо-
жет двигаться быстрее скорости света, это противоречит
специальной теории относительности. Следовательно, кван-
Рис. 5- Запутанность

Когда два атома находятся рядом друг с другом, они
могут вибрировать когерентно, в унисон, с одной
и той же частотой, но со сдвигом на неизменную
фазу. Но если их разделить, а один из них заставить
двигаться, они все равно останутся когерентными,
и информация о возмущении распространится между
ними быстрее скорости света. (Это не противоречит
теории относительности, поскольку информация,
преодолевающая световой барьер, случайна.) Отчасти
это объясняет, почему квантовые компьютеры настолько
мощные, ведь они вычисляют одновременно все эти
смешанные состояния.

Mapping Specialists Ltd.

товая механика неверна. Эйнштейн был уверен, что этот
убойный аргумент полностью опровергает квантовую тео-
рию. Он завершил изложение доводов и считал спор выиг-
ранным. «Жуткое дальнодействие», порожденное запутан-
ностью, — всего лишь иллюзия, настаивал он.

Эйнштейн считал, что нанес «удар милосердия», кото-
рый раз и навсегда прикончит квантовую теорию. И, не-
смотря на все экспериментальные успехи квантовой тео-
рии, так называемый парадокс ЭПР несколько десятков
лет оставался неразрешенным, поскольку описанный в нем
процесс было слишком трудно реализовать в лаборатории.
Но со временем этот эксперимент все же был поставлен,
причем несколькими способами, в 1949,1975 и 1980 гг., и вся-
кий раз квантовая теория оказывалась верна.

(Означает ли это, что информация может путешество-
вать быстрее света, нарушая таким образом специальную
теорию относительности? Здесь последним довелось сме-
яться Эйнштейну. Нет, хотя информация между двумя элек-
тронами перемещается мгновенно, эта информация слу-
чайна и потому бесполезна. Это означает, что невозможно
передать полезные данные, содержащие некое сообщение,
быстрее скорости света при помощи эксперимента ЭПР.
Проанализировав сигнал ЭПР, можно получить только тара-
барщину. Так что информация передается мгновенно между
когерентными частицами, но полезная информация, несу-
щая в себе сообщение, не способна путешествовать быстрее
скорости света.)

Сегодня этот принцип — идея о том, что если два объ-
екта когерентны, то есть колеблются одинаково, то они оста-
ются когерентными, даже если их разделяют громадные
расстояния, — называется запутанностью.

Это свойство означает для квантовых компьютеров са-
мые серьезные последствия. Оно подразумевает, что, даже
если кубиты в квантовом компьютере разделены, они все
равно способны взаимодействовать между собой, что объ-
ясняет фантастические вычислительные способности кван-
товых компьютеров.

В этом и заключается главная причина уникальности
и полезности квантовых компьютеров. Обычный цифровой
компьютер в каком-то смысле напоминает нескольких бух-
галтеров, которые независимо друг от друга работают в кон-
торе, причем по очереди; каждый из них считает что-то
одно, независимо от остальных, а результаты они передают
друг другу. Но квантовый компьютер подобен комнате, пол-
ной взаимодействующих между собой бухгалтеров; все они
считают одновременно и, что важно, общаются между со-
бой через запутанность. Так что можно сказать, они решают
задачу когерентно и совместно.

Трагедия войны

К несчастью, эти животрепещущие интеллектуальные де-
баты были прерваны нарастающей волной мировой войны.
Ученые дискуссии о квантовой теории внезапно сделались
смертельно опасными, поскольку и нацистская Германия,
и США запустили ударные программы по разработке атом-
ной бомбы. Вторая мировая война имела для физического
сообщества разрушительные последствия.

Планк, наблюдая массовую миграцию физиков-евреев
из Германии, лично встретился с Адольфом Гитлером, умо-
ляя его прекратить преследование физиков-евреев, которое
уничтожало немецкую физику. Однако Гитлер только разо-
злился и накричал на Планка.

Позже Планк сказал: «Невозможно говорить с этим че-
ловеком на языке разума». Один из сыновей Планка, Эр-
вин, в дальнейшем оказался вовлечен в заговор с целью
убийства Гитлера. Он был пойман и подвергнут пыткам.
Планк попытался спасти жизнь сына, обратившись напря-
мую к Гитлеру, но в 1945 г. Эрвин был казнен.

Нацисты объявили награду за голову Эйнштейна. Его
портрет был напечатан на обложке одного из нацистских
журналов с подписью «Еще не повешен». Эйнштейн бежал
из Германии в 1933 г., чтобы никогда не возвращаться.

Эрвин Шрёдингер, став свидетелем избиения еврея на-
цистами на улицах Берлина, попытался остановить напа-
давших, но сам был избит эсэсовцами. Потрясенный, он
покинул Германию и принял предложение о работе в Оке-
фордском университете. Приезд его, правда, вызвал споры,
поскольку он приехал в Оксфорд с женой и любовницей.
Затем ему предложили место в Принстоне, но историки
считают, что это предложение он отверг по той же причине.
В конечном итоге он оказался в Ирландии.

Нильсу Бору, одному из основателей квантовой меха-
ники, пришлось бежать в США, спасая собственную жизнь;
покидая Европу, он чуть не погиб.

Вернер Гейзенберг — один из величайших, возможно,
квантовых физиков Германии — был поставлен во главе
проекта по разработке атомной бомбы для нацистов. Од-
нако его лаборатории приходилось то и дело переезжать
из-за бомбежек союзников. После войны он был арестован
союзниками. (К счастью, Гейзенбергу был неизвестен один
ключевой параметр — вероятность расщепления атома
урана, поэтому с разработкой атомной бомбы у него воз-
никли проблемы и нацисты в результате так и не получили
ядерного оружия.)

В трагический послевоенный период люди начали осо-
знавать громадную мощь квантовых процессов, запущен-
ных в небе над Хиросимой и Нагасаки. Квантовая механика
внезапно оказалась вовсе не игрушкой физиков, но тео-
рией, способной раскрывать тайны Вселенной и определять
судьбу рода человеческого.

Но из пепла войны на горизонте встало новое квантовое
изобретение, которому суждено было изменить саму ткань
современной цивилизации: транзистор. Может быть, гро-
мадную мощь атома удастся применить в мирных целях.
ГЛАВА 4

КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ:
НАЧАЛО

Транзистор парадоксален.

Обычно чем крупнее изобретение, тем оно мощ-
нее. Огромные двухпалубные реактивные авиалай-
неры способны за несколько часов перенести множество
пассажиров на другой конец света. Сегодняшние ракеты —
это башнеподобные конструкции, способные отправить
на Марс полезный груз в несколько тонн. Большой адрон-
ный коллайдер длиной около 27 км стоит больше ю млрд
долларов и может когда-нибудь раскрыть секрет Большого
взрыва. Его окружность так велика, что внутри периметра
установки могла бы разместиться значительная часть го-
рода Женевы.

Тем не менее транзистор — возможно, самое важное
изобретение XX в. — настолько мал, что на ногте вашего
пальца их можно уместить буквально миллиарды. При этом
не будет преувеличением сказать, что он произвел револю-
цию во всех аспектах человеческого общества.

Так что иногда чем меньше, тем лучше. К примеру,
на ваших плечах располагается самый сложный объект в из-
вестной нам Вселенной — человеческий мозг. Состоящий
из юо млрд нейронов, каждый из которых соединен при-
мерно с юооо других нейронов, мозг человека по своей
сложности превосходит все известное современной науке.
Таким образом, хотя и микросхему, сделанную из мил-
лиардов транзисторов, и человеческий мозг можно взять
в руку, то и другое — самые хитроумно устроенные из из-
вестных нам объектов.

Почему так? Их невероятно малый размер скрывает
тот факт, что внутри них можно хранить огромные объемы
информации и манипулировать ими. Более того, способ
хранения этой информации напоминает работу машины
Тьюринга, что обеспечивает громадную вычислительную
мощность. Именно микросхема — сердце любого цифро-
вого компьютера с конечной входной лентой (хотя в прин-
ципе машины Тьюринга могут иметь бесконечную входную
ленту). А мозг — это обучающаяся машина, или нейрон-
ная сеть, которая непрерывно совершенствует себя по мере
усвоения нового. Кроме того, машину Тьюринга можно
модифицировать так, что она будет способна к обучению
подобно нейронной сети.

Но если мощь транзистора исходит от его микроско-
пичности, то встает следующий вопрос: насколько компакт-
ным можно сделать компьютер? Каков самый маленький
транзистор?

Рождение транзистора

Три физика получили в 1956 г. Нобелевскую премию за со-
здание этого чудо-устройства. Это были ученые из Лабо-
раторий Белла: Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям
Шокли. Сегодня копия первого в мире транзистора демон-
стрируется под стеклом в витрине Смитсоновского музея
в Вашингтоне. Это грубое, неуклюжее с виду устройство.
Но известно, что группы ученых со всего мира подходят
к этому транзистору с молчаливым уважением, а некото-
рые даже кланяются перед ним, как если бы это было некое
божество. Для его создания Бардин, Браттейн и Шокли ис-
пользовали новую квантовую форму вещества, известную
как полупроводник. (Металлы являются проводниками,
то есть в них возможен свободный ток электронов. Изоля-
торы, такие как стекло, пластик или резина, не проводят
электричество. Полупроводники занимают промежуточ-
ное положение и могут как пропускать, так и останавли-
вать ток электронов.)

Транзистор использует это принципиально важное свой-
ство полупроводника. В значительной мере он является пре-
емником старой вакуумной электронной лампы, которую
умело использовали Тьюринг и остальные. Как мы видели,
и электронную лампу, и транзистор можно в какой-то мере
сравнить с клапаном, регулирующим поток воды в трубе.
Небольшой клапан позволяет управлять гораздо более
мощным потоком воды, идущим по основной трубе. Его
можно либо запереть, что соответствует нулю, либо оста-
вить открытым, что соответствует единице. Таким способом
происходит четкое управление течением воды в сложной
системе труб. Если же заменить клапан транзистором, а во-
дяные трубы проводами, по которым течет электрический
ток, то мы получаем цифровой компьютер на транзисторах.

Если по своему функционалу транзистор действительно
напоминает вакуумную электронную лампу, то на этом
сходство и заканчивается. Электронные лампы достаточно
грубы и известны своей капризностью. (Помню, как в юно-
сти мне пришлось разобрать свой телевизор, вынуть из него
вручную все лампы и потом долго и нудно проверять каж-
дую из них в супермаркете, чтобы понять, которая сгорела.)
Лампы занимали много места, они были ненадежны и очень
быстро выходили из строя.

Транзистор, изготовленный из тонких кремниевых пла-
стинок, напротив, может быть прочным, дешевым и микро-
скопическим по размеру. Их можно производить массово,
примерно так же, как сегодня делают рисунок на футболке.

Рисунок на футболку наносят по пластиковому трафа-
рету, в котором вырезано нужное вам изображение. Тра-
фарет помещается на футболку, а затем сверху из баллон-
чика на него распыляется краска. Когда трафарет убирается,
на футболке остается сделанное краской изображение.

Транзистор делается примерно так же. Для начала из-
готавливается трафарет, в котором вырезается изображе-
ние нужных вам контуров. Затем этот трафарет помеща-
ется на кремниевую пластину. Вслед за этим на трафарет
направляется ультрафиолетовый луч, так что изображение
с трафарета переносится на пластину. Далее трафарет уби-
рается и добавляется кислота. Кремниевая пластина заранее
химически обрабатывается специальным образом, чтобы
при добавлении кислоты она выжгла в пластине нужное
вам изображение.

Преимущество здесь в том, что наносимые изображе-
ния могут быть очень маленькими, сравнимыми по размеру
с длиной волны ультрафиолетового излучения, которая не-
намного превышает размеры атома. Это означает, что обыч-
ная микросхема, используемая в компьютере, может со-
держать внутри, скажем, миллиард транзисторов. Сегодня
производством транзисторов занимается крупный бизнес,
способный влиять на экономику целых стран. Самые пере-
довые заводы по производству транзисторов стоят по не-
скольку миллиардов долларов каждый.

В определенном смысле микросхему можно сравнить
с дорожной сетью большого города. Постоянный поток ма-
шин подобен электронам, бегающим вдоль вытравленных
контуров. Светофоры, регулирующие транспортные потоки,
соответствуют транзисторам. Красный свет, останавливаю-
щий поток машин, соответствует о, а зеленый, разрешаю-
щий проезд, соответствует 1.
Вытравливая на пластинке все больше и больше тран-
зисторов, мы как будто сжимаем каждый городской квар-
тал, чтобы разместить в нем больше машин и светофоров.
Но существует предел плотности размещения дорог в за-
данном районе. Со временем городской квартал становится
таким крохотным, что машины выплескиваются на тротуар.
Это соответствует короткому замыканию в случае, если
слои кремния истончаются.

По мере того, как ширина элементов кремниевого чипа
приближается к размеру атома, в дело вступает принцип не-
определенности Гейзенберга: положение электронов в про-
странстве становится неопределенным, в результате чего
возникают их утечка и короткое замыкание контура. Мало
того, теплота, выделяемая таким множеством транзисторов,
сосредоточенных в одном месте, оказывается достаточной,
чтобы расплавить микросхему.

Иными словами, все проходит, должна завершиться
и эпоха кремния. Мы сейчас, возможно, наблюдаем заро-
ждение новой, квантовой эпохи.

И путь к ней проложил один из знаменитейших физи-
ков XX столетия.

Гений в действии

Ричард Фейнман был единственным в своем роде. Больше
таких физиков не было и не будет.

С одной стороны, Фейнман был харизматичным шоу-
меном, любившим развлекать аудиторию скандальными
историями о своем прошлом и о своих безумных выходках.
Когда он рассказывал живописные байки о своей жизни —
а говорил он с сильным акцентом, — он больше всего по-
ходил на дальнобойщика.
Он гордился своим уменьем вскрывать замки и сейфы;
работая в Лос-Аламосе, он успешно вскрыл однажды сейф,
содержавший секрет атомной бомбы (став при этом, кстати
говоря, причиной грандиозного переполоха). Он никогда
не упускал возможности познакомиться с новыми необыч-
ными впечатлениями и однажды заперся в гипербариче-
ской камере, чтобы выяснить, сможет ли он покинуть свое
тело и увидеть себя со стороны. А еще он обожал играть
на парных барабанах — бонго — в любое время суток.

Слушая его, можно было практически забыть, что
в 1965 г. он получил Нобелевскую премию по физике и был,
вероятно, одним из величайших физиков своего поколения,
заложившим основу для релятивистской теории взаимо-
действия электронов с фотонами. Эта теория, получившая
название квантовой электродинамики (КЭД), точна до од-
ной десятимиллиардной доли, так что из всех различных
квантовых измерений, которые были проделаны, она самая
успешная. Другие физики внимательнейшим образом при-
слушивались к каждому его слову, надеясь извлечь из них
откровение, которое, возможно, принесет и им тоже из-
вестность и славу.

Рождение нанотехнологий

Прежде всего, Фейнман был визионером.

Он понимал, что по размеру компьютеры становятся все
меньше и меньше. Поэтому он задал себе простой вопрос:
насколько маленьким можно сделать компьютер?

Он понимал, что в будущем транзисторы непременно
станут такими маленькими, что со временем смогут срав-
ниться по размеру с атомом. Мало того, он предположил,
что следующим рубежом для физиков станет создание ма-
шин размером с атом; таким образом он стал пионером
растущей области, известной сегодня как нанотехнологии.

Какой предел квантовая механика накладывает на пин-
цеты, молоточки и гаечные ключи, размером сравнимые
с атомами? Каково абсолютное ограничение для компью-
тера, который работает на транзисторах размером с атом?

Фейнман понимал, что в царстве атомов возможны но-
вые фантастические изобретения. Нынешние законы фи-
зики, которыми мы пользуемся на макромасштабе, на атом-
ном уровне теряют смысл, и нам приходится открывать свой
разум для совершенно новых возможностей. Эти идеи он
впервые высказал в речи, произнесенной в 1959 г. на засе-
дании Американского физического общества в Калифор-
нийском технологическом институте. Речь была озаглав-
лена «Внизу много места» — она предвосхитила рождение
новой науки.

В том выступлении Фейнман задал вопрос: «Почему мы
не можем записать все 24 тома “Энциклопедии” на була-
вочной головке?»

Его основная идея была проста: создать крохотные ма-
шины, способные «расположить атомы нужным образом».
Любой инструмент, которым мы пользуемся в своей ма-
стерской, должен быть уменьшен до размера элементарных
частиц. Мать-природа постоянно манипулирует атомами.
Почему же мы этого не можем?

Он подытожил свою идею квантового компьютера так:
«Природа работает не по классическим законам, черт по-
бери, и если вы хотите изготовить модель природы, вам
лучше сделать ее квантово-механической».

Это глубокое наблюдение. Классические цифровые
компьютеры, какими бы мощными они ни были, никогда
не смогут успешно моделировать квантовый процесс. (Вице-
президент IBM Боб Сьютор любит приводить следующее
сравнение: классическому компьютеру, чтобы воссоздать
пошаговую модель какой-нибудь простой молекулы вроде
кофеина, потребуется ю48 бит информации. Это громад-
ное число составляет ю% от числа атомов, образующих
планету Земля. Следовательно, классические компьютеры
не в состоянии успешно моделировать даже простые мо-
лекулы.)

Фейнман предложил множество поразительных идей:
например, сделать микроскопического робота, чтобы тот
мог плавать в кровотоке человека по сосудам и разбираться
с медицинскими проблемами. Фейнман назвал этот про-
цесс «проглотить доктора». Такой робот действовал бы как
лейкоцит — курсировал по телу в поисках бактерий и виру-
сов, с которыми мог бы расправиться. Кроме того, хирур-
гические операции можно было бы проводить внутри тела,
а не снаружи. Врачам бы не приходилось разрезать кожу,
беспокоиться о боли и инфекциях, — вся операция про-
водилась бы изнутри.

Его видение будущего было пророческим; он даже
утверждал, что когда-нибудь изобретут супер-микроскоп,
позволяющий «видеть» атомы. (Такой прибор действи-
тельно появился позже, в 1981 г., через несколько десяти-
летий после предсказания Фейнмана, и получил название
сканирующего туннельного микроскопа.)

Предвидение Фейнмана было настолько фантастиче-
ским, что следующие десятилетия его речь в значительной
мере игнорировали. Очень жаль, ведь он намного опере-
дил свое время. И все же сегодня многие его предсказания
реализуются.

Он даже предложил приз в юоо долларов любому, кто
сможет сделать одну из двух вещей. Первым вызовом была
задача миниатюризировать страницу книги так, чтобы разгля-
деть ее можно было только при помощи электронного микро-
скопа. Второе задание состояло в том, чтобы создать электро-
двигатель, который уместился бы в куб со стороной 0,04 см.
(Позже два изобретателя заявили свои права на оба приза,
хотя точные условия конкурса они не выполнили.)

Еще одно из предсказаний Фейнмана стало возможным
с открытием наноматериалов, таких как графен, состоящий
из полотна углерода толщиной всего в один атом. Графен
открыли двое русских ученых, работавших в Англии, в Ман-
честере. Андрей Гейм и Константин Новоселов заметили,
что при помощи скотча можно снять с графита очень тон-
кий слой. Повторив этот процесс неоднократно, они обна-
ружили, что в конце концов можно получить слой углерода
толщиной в один атом. За этот простой, но замечательный
прорыв они в гою г. получили Нобелевскую премию. По-
скольку атомы углерода очень плотно упакованы в симме-
тричной укладке, графен — самое прочное вещество, из-
вестное науке, прочнее алмаза. Пленка графена настолько
прочна, что если бы можно было поставить слона на кончик
карандаша, а другим концом карандаш поставить на лист
графена, то графен бы не порвался.

Графен в малых количествах получить несложно, но до-
быть большое количество чистого графена чрезвычайно
трудно. В принципе, чистый графен достаточно прочен,
чтобы построить небоскреб или мост такой малой толщины,
что он будет невидим. Длинное волокно графена может
быть настолько прочным, что выдержит космический лифт,
способный доставить вас в космос по нажатию кнопки, как
лифт в небеса. (Космический лифт должен быть подвешен
на канате из графена, который, подобно вращающемуся ша-
рику на леске, никогда не падает вниз, поскольку вращается
вокруг Земли благодаря вращению планеты.) Кроме того,
графен проводит электричество. Фактически из крохотного
количества графена можно изготовить одни из самых кро-
хотных транзисторов в мире.

Фейнман также осознавал громадные преимущества,
которые способен дать квантовый компьютер, обладающий
огромной вычислительной мощностью. Ранее мы видели,
что, если добавить квантовому компьютеру один дополни-
тельный кубит, его мощность удваивается. Таким образом,
квантовый компьютер, сделанный из 300 атомов, будет об-
ладать мощностью в 2300 раз большей, чем квантовый ком-
пьютер с одним кубитом.

Фейнмановские интегралы
по траекториям

Еще одному достижению Фейнмана суждено было изме-
нить ход развития физики. Ему удалось найти поразитель-
ный новый способ заново сформулировать всю теорию
квантовой механики.

Все началось, когда он учился в старших классах школы.
Он обожал вычислять разные вещи и разгадывать голово-
ломки. Одним из его коронных номеров было быстрое ре-
шение хитроумной задачи несколькими способами. Если
он заходил в тупик на одном направлении, он мог при
помощи математических фокусов решить задачу другим
способом, — а фокусов таких он знал множество. Он был
знаменит своим высказыванием о том, что цель каждого
физика — «доказать собственную неправоту как можно
скорее». Иными словами, проглотите свою гордость и при-
знайте, что то, чем вы занимаетесь, может оказаться тупи-
ковым направлением, а также докажите это как можно ско-
рее, чтобы двигаться дальше к следующей идее.

(Сам я, как физик-исследователь, на самом деле часто
думаю об этом заявлении. Иногда физикам в какой-то
момент приходится признать, что их любимая идея,
возможно, ошибочна и нужно быстро пробовать новый
подход.)
Поскольку юный Фейнман в естественных науках всегда
был впереди своего класса, его учитель придумывал раз-
ные хитроумные способы поддержать его интерес, чтобы
молодой человек не заскучал. Учитель давал ему необыч-
ные и в то же время серьезные задания из области физики.

Однажды учитель познакомил Фейнмана с так назы-
ваемым принципом наименьшего действия, позволяющим
заново и принципиально иначе интерпретировать всю клас-
сическую физику. Учитель отметил, что если шар катится
вниз с холма, то для него существует бесконечное число
возможных траекторий, но «выбирает» он из них только
одну. Как он узнает, какую траекторию выбрать?

Ответ на этот вопрос нашел Ньютон 300 лет назад. Он
сказал бы: рассчитайте силы, действующие на шар в какой-то
определенный момент, а затем воспользуйтесь уравнениями,
чтобы определить, куда он двинется в следующее мгновение.
Затем повторите процесс. Сшив воедино все эти последо-
вательные моменты времени, микросекунда за микросекун-
дой, можно проследить всю траекторию шара. Даже сегодня,
300 лет спустя, физики именно так предсказывают движе-
ние звезд, планет, ракет, пушечных снарядов и бейсбольных
мячей. Это фундаментальная основа ньютоновской физики.
Так работает почти вся классическая физика. А математиче-
ский аппарат сложения воедино всех этапов движения, за-
даваемого приращениями, называется дифференциальным
и интегральным исчислением, и его тоже придумал Ньютон.

Но затем учитель предложил весьма необычный взгляд
на все это. Он сказал: нарисуй все возможные траектории
движения шара, какими бы странными они ни казались.
Некоторые из этих траекторий, возможно, окажутся абсурд-
ными, как, например, заглянуть по пути на Луну или Марс.
Некоторые траектории, возможно, уйдут на край Вселен-
ной. Затем для каждой траектории нужно рассчитать так
называемое действие. (Действие здесь аналогично энергии
системы. Оно равно разности между кинетической и потен-
циальной энергиями.) Тогда траекторией движения шара
станет траектория с минимальным значением действия.
Иными словами, шар каким-то образом «обнюхивает» все
возможные пути, даже безумные, и «выбирает» траекторию
с наименьшим действием.

Произведя все необходимые математические операции,
вы получите в точности тот же ответ, что получил Нью-
тон. Фейнман был поражен. В этой простой демонстрации
можно было собрать всю ньютоновскую физику без слож-
ных дифференциальных уравнений — все, что нужно было
сделать, это найти траекторию движения с наименьшим
действием. Это привело Фейнмана в восторг, поскольку
теперь у него было два эквивалентных способа решения
любых задач классической механики.

Иными словами, в старой ньютоновской картине траек-
тория движения шара определяется только силами, кото-
рые действуют на шар в этой конкретной точке простран-
ства и времени. Отдаленные точки на шар никак не влияют.
Но в новой картине внезапно оказывается, что шар «знает»
обо всех возможных траекториях, по которым он может
двигаться, и «решает» выбрать ту из них, которая связана
с наименьшим действием. Откуда шар может «знать», как
нужно анализировать эти миллиарды траекторий и выби-
рать среди них нужную?

(К примеру, почему шар падает на пол? Ньютон ска-
зал бы, что существует сила тяготения, толкающая шар
к земле, микросекунда за микросекундой. Есть и другое
объяснение — сказать, что шар каким-то образом «обню-
хивает» все возможные маршруты, затем «решает» выбрать
траекторию с минимальным действием или энергией, а это
и есть прямо вниз.)

Много лет спустя, занимаясь работой, которая принесла
ему впоследствии Нобелевскую премию, Фейнман вернулся
к этому школьному подходу. Принцип наименьшего дей-
ствия работал для классической ньютоновской физики. По-
чему бы не применить этот странный результат для кван-
товой теории?

Квантовая сумма по траекториям

Он понял, что в квантовом компьютере этот принцип дол-
жен обладать громадной вычислительной мощностью.
Представьте себе лабиринт. Если классическую мышь по-
местить в лабиринт, она должна будет кропотливо прове-
рить множество возможных маршрутов, один за другим,
последовательно, — а это требует чрезвычайно много вре-
мени. Но если поместить в лабиринт квантовую мышь, она
одновременно обнюхает все возможные маршруты. В при-
менении к квантовому компьютеру этот принцип экспонен-
циально увеличивает его мощность.

Таким образом, Фейнман переписал квантовую теорию
с точки зрения принципа наименьшего действия. При таком
подходе субатомные частицы «обнюхивают» все возможные
маршруты. На каждом маршруте он поместил некую харак-
теристику, связанную с действием и постоянной Планка.
Затем он просуммировал, или проинтегрировал, эту вели-
чину по всем возможным траекториям. В настоящее время
этот подход называется формулировкой квантовой теории
через интегралы по траекториям, потому что при нем вы
суммируете вклад от всех траекторий, по которым объект
может двигаться.

К своему удивлению, Фейнман обнаружил, что может
теперь вывести уравнение Шрёдингера. Более того, он по-
нял, что на базе этого простого принципа можно рассма-
тривать всю квантовую физику. Так что через несколько
Рис. 6. Сумма по траекториям

Мышь в классическом лабиринте должна на каждом
перекрестке решать, какой маршрут выбрать, и решения
эти принимаются последовательно, по одному.
Но квантовая мышь в лабиринте может в определенном
смысле проанализировать все маршруты одновременно.
Это одна из причин, по которым квантовые компьютеры
экспоненциально мощнее обычных классических.

Mapping Specialists Ltd.

десятилетий после того, как Шрёдингер предложил свое
волновое уравнение, волшебным образом, без вывода,
Фейнман сумел унифицировать всю картину квантовой
механики, включая и уравнение Шрёдингера, с позиции
интегралов по траекториям.

Обычно, преподавая квантовую механику аспирантам-
физикам, я начинаю с того, что представляю им уравнение
Шрёдингера само по себе, как если бы оно возникло из ни-
откуда, к примеру из шляпы фокусника. Когда студенты
спрашивают, откуда взялось это уравнение, я пожимаю пле-
чами и говорю, что это уравнение просто есть. Но позже
по ходу курса, когда мы наконец доходим до разбора ин-
тегралов по траекториям, я объясняю, что всю кванто-
вую теорию можно переформулировать с использованием
Фейнмановых интегралов по траекториям, просуммировав
действие по всем возможным маршрутам, какими бы без-
умными они ни были.

Но я использую Фейнмановы интегралы по траекто-
риям не только в своей профессиональной деятельно-
сти, иногда я думаю о них и дома, расхаживая по ком-
нате. Когда я шагаю по ковру, у меня возникает странное
жутковатое чувство: я знаю, что множество копий меня
в этот момент тоже расхаживает по этому самому ковру
и каждый считает себя единственным человеком в ком-
нате. Некоторые из этих копий по пути в другой угол
комнаты даже заглядывают на Марс и возвращаются
обратно.

Как физик, я работаю с релятивистскими вариантами
уравнения Шрёдингера и так называемой квантовой тео-
рией поля, то есть квантовой теорией элементарных частиц
высоких энергий. Проводя любой расчет в квантовой тео-
рии поля, я вслед за Фейнманом первым делом обраща-
юсь к действию. Затем провожу расчет по всем возможным
траекториям, чтобы получить уравнения движения. Так что
фейнмановская формулировка квантовой теории через ин-
тегралы по траекториям в каком-то смысле поглотила всю
квантовую теорию поля целиком.

Но такое переформулирование не просто фокус; из него
следуют глубокие выводы для жизни на Земле. Ранее мы
говорили о том, что квантовые компьютеры необходимо
держать при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Но мать-природа способна проводить удивительные кванто-
вые реакции при комнатной температуре (такие как фото-
синтез и фиксация азота в почве). В рамках классической
физики при комнатной температуре атомы ведут себя так
беспокойно и так сильно «толкаются», что многие химиче-
ские процессы должны быть попросту невозможны в таких
условиях. Иными словами, при фотосинтезе нарушаются
законы Ньютона.

Так как же мать-природа решает проблему декогерен-
ции — самую сложную проблему квантовых компьюте-
ров — и делает фотосинтез возможным при комнатной
температуре?

Ответ — путем суммирования по всем траекториям. Как
показал Фейнман, электроны, чтобы делать свою чудесную
работу, могут «обнюхать» сразу все возможные маршруты.
Иными словами, фотосинтез — а следовательно, и сама
жизнь — является, возможно, побочным продуктом фейн-
мановского подхода к квантовой теории через интегралы
по траекториям.

Квантовая машина Тьюринга

В 1981 г. Фейнман подчеркивал, что только квантовый ком-
пьютер способен по-настоящему моделировать кванто-
вый процесс. Но Фейнман не пояснил, как именно можно
было бы построить квантовый компьютер. Следующим, кто
подхватил этот факел, стал Дэвид Дойч из Оксфордского
университета. Помимо других достижений, он смог ответить
на вопрос: можно ли применить квантовую механику к ма-
шине Тьюринга? Фейнман в свое время намекнул на эту за-
дачу, но так и не записал уравнения для квантовой машины
Тьюринга. Дойч продолжил эту работу, дополнив пропу-
щенные подробности. Он даже создал алгоритм, способный
работать на гипотетической квантовой машине Тьюринга.

Машина Тьюринга, как мы уже видели, — это основан-
ное на процессоре простое классическое устройство, пре-
вращающее число на бесконечно длинной ленте в другое
число и таким образом проводящее серию математиче-
ских операций. Красота машины Тьюринга в том, что она
объединяет все свойства цифрового компьютера в простой
и компактной форме, которую затем пристально и строго
могут исследовать математики. Следующий шаг — доба-
вить к изобретению Тьюринга квантовую теорию, что по-
зволит ученым должным образом исследовать странные
свойства квантовых компьютеров. В квантовой машине
Тьюринга, считал Дойч, классический бит заменяется кван-
товым кубитом. Это вносит в машину несколько важных
изменений.

Прежде всего, базовые манипуляции машины Тьюринга
(к примеру, замена о на i и наоборот, сдвиг ленты вперед
или назад) остаются примерно теми же. Но сами биты прин-
ципиально меняются. Они уже не равны о или 1. Мало того,
они могут использовать необычное квантовое свойство су-
перпозиции (способность находиться в двух различных со-
стояниях одновременно) при формировании кубита, кото-
рый может принимать значения между о и 1. А поскольку
все кубиты в квантовой машине Тьюринга запутаны, про-
исходящее с одним кубитом может влиять на остальные,
находящиеся при этом далеко. Наконец, чтобы получить
в конце расчета число, необходимо схлопнуть волну, в ре-
зультате чего кубиты снова выдают нам набор нулей и еди-
ниц. Именно так мы получаем от квантового компьютера
настоящие числа и ответы.

Точно так же, как Тьюринг смог превратить сферу ци-
фровых компьютеров в строгую науку, предложив для ма-
шины Тьюринга жесткие правила, Дойч и другие ученые
создали строгое основание для квантовых компьютеров.
Выделив суть того, как нужно манипулировать кубитами,
он помог стандартизировать работу над квантовыми ком-
пьютерами.
Параллельные вселенные

Но Дойч широко известен не только тем, что участвовал
в разработке концепции квантовых компьютеров: он очень
серьезно относится к глубоким философским вопросам,
связанным с их появлением, В обычной Копенгагенской
интерпретации квантовой механики необходимо произве-
сти наблюдение, чтобы определить наконец, где находится
электрон. До того, как наблюдение произведено, электрон
представляет собой нечеткую смесь нескольких состояний.
Но когда состояние электрона измеряется, волновая функ-
ция волшебным образом схлопывается в одно физическое
состояние. Именно так от квантового компьютера получают
численные ответы.

Но это схлопывание на протяжении по крайней мере сто-
летия не давало покоя квантовым физикам. Процесс схло-
пывания волны кажется таким чуждым, таким надуманным
и искусственным, — а ведь это принципиально важный про-
цесс, позволяющий покинуть квантовый мир и оказаться
в нашем макроскопическом мире. Почему частица стано-
вится по стойке смирно только оттого, что мы решили на нее
взглянуть? Да, это мост между микро- и макромирами,
но этот мост испещрен громадными философскими дырами.

Тем не менее все работает, и никто не может этого от-
рицать.

Но многие ученые ощущают беспокойство, понимая,
что все наше знание о мире построено на этом ненадеж-
ном фундаменте, как на песке, который в один прекрас-
ный день может унести ветром. В последние десятилетия
звучало немало предложений о том, как можно прояснить
эту проблему.

Вероятно, самое скандальное из этих предложений вы-
двинул в 1956 г. студент-старшекурсник Хью Эверетт. Мы по-
мним, что квантовую теорию можно кратко изложить при-
мерно в четырех общих принципах. Камнем преткновения
служит последний из них, в котором мы схлопываем волно-
вую функцию, чтобы решить, в каком состоянии находится
система. Предложение Эверетта было дерзким и противо-
речивым: его теория предлагает просто отбросить последнее
утверждение, которое гласит, что волна схлопывается, и счи-
тать, что на самом деле она никогда этого не делает. Каждое
возможное решение продолжает существовать в собствен-
ной реальности, порождая множество миров. Под этим на-
званием — теория множественности миров — его теория
и получила известность.

Подобно реке, разветвляющейся на множество меньших
протоков, различные волны электрона продолжают весело
размножаться, расщепляясь снова и снова и расходясь на-
всегда в разные вселенные. Иными словами, существует
бесконечное число параллельных вселенных, ни одна из ко-
торых никогда не схлопывается. Каждая ветвь этой мульти-
вселенной выглядит ровно такой же реальной, как осталь-
ные, но вместе они представляют все возможные квантовые
состояния.

Таким образом, микрокосм и макрокосм подчиняются
одним и тем же уравнениям, поскольку никакого схлопы-
вания больше не происходит, как не существует и «стены»,
их разделяющей.

Представьте себе, к примеру, океанскую волну. На са-
мом деле внутри она состоит из тысяч волн меньшего раз-
мера. Копенгагенская интерпретация предлагает выбрать
лишь одну из этих меньших волн и отбросить остальные.
Но интерпретация Эверетта говорит: пусть существуют все
волны. Тогда эти волны будут и дальше расщепляться на бо-
лее мелкие, а те, в свою очередь, — на еще более мелкие,
и так далее.

Эта идея очень удобна. Не нужно беспокоиться о схлопы-
вании волн, поскольку они никогда этого не делают. Так что та-
кая формулировка проще стандартной Копенгагенской интер-
претации. Она лаконична, элегантна и замечательно проста.

Множественность миров

Однако теории Дойча и Эверетта бросают вызов самой при-
роде реальности. Теория множественности миров вообще
переворачивает наши представления о бытии с ног на го-
лову. Следствия из нее ошеломляют.

Вспомните, к примеру, все ситуации, в которых вам
приходилось принимать принципиально важные жизнен-
ные решения, такие как выбор профессии или супруга, во-
прос о появлении детей. Когда некуда спешить, можно ча-
сами размышлять обо всем том, что могло бы произойти
в жизни. Теория множественности миров гласит, что суще-
ствует некая параллельная вселенная, в которой копия вас
самих живет совершенно иной жизнью. В одной вселенной
вы — миллиардер и планируете очередной смелый шаг,
который сразу же станет главной темой газетных заголов-
ков. В другой вы, может быть, нищий и не знаете, где в сле-
дующий раз удастся добыть еды. А может быть, вы ведете
какую-то промежуточную жизнь: работаете на скучной уто-
мительной работе с невысоким стабильным доходом, но без
всяких перспектив. В каждой вселенной вы убеждены, что
именно эта ваша вселенная настоящая, а все остальные —
подделки. А теперь представьте то же самое на квантовом
уровне. Каждое отдельное событие на атомном уровне рас-
щепляет нашу вселенную на множество копий.

В стихотворении Роберта Фроста «Другая дорога» ав-
тор писал о том, о чем каждому из нас случается иногда
грезить. Мы вдруг принимаемся гадать, что могло бы про-
изойти в нашей жизни в тот период времени, когда надо
было принять какое-то судьбоносное решение. Такие важ-
ные решения способны определить всю нашу последующую
жизнь. Фрост писал:

Скрещенье тропинок в осеннем лесу

Когда б раздвоился, я выбрал бы обе,
А так — словно держишь судьбу на весу,
Стоишь и глядишь сквозь сухую листву
На ту, что теряется в темной чащобе.

Завершает стихотворение вывод о том, что то давнее
решение имело эпические последствия для жизни героя,
что менее исхоженная тропинка стала для него поворот-
ным моментом. Автор заключает:

Со вздохом припомню, годы спустя,

Как чаша весов в равновесье застыла:

Тропинки скрестились в лесу, и я —

Пошел по заброшенной. Может быть, зря...

Но это все прочее определило*.

Это распространяется не только на вашу жизнь,
но и на весь остальной мир. В телесериале «Человек в вы-
соком замке», снятом по роману Филипа Дика, Вселенная
расщепилась надвое. В одной вселенной киллер покушался
на Франклина Рузвельта, но у него произошла осечка, и Руз-
вельт остался жив, чтобы во время Второй мировой войны
вести союзников к победе. Но в другой вселенной пистолет
выстрелил, и президент был убит. На его место пришел сла-
бый вице-президент, и США потерпели поражение. В ре-
зультате нацисты захватили Восточное побережье, а япон-
ская императорская армия — Западное.

Перевод В. Черешни.
Эти разные, расходящиеся вселенные разделяет тот
факт, что пуля застряла в стволе пистолета. Но осечка мо-
жет произойти из-за небольших нарушений в химическом
составе пороха, вызванных, возможно, квантовыми дефек-
тами в его молекулярной структуре. Таким образом, раз-
ница между этими двумя вселенными сводится, возможно,
к одному квантовому событию.

К несчастью, идея Эверетта1 была настолько радикаль-
ной, настолько иномирной, что физики, будто сговорив-
шись, десятилетиями ее игнорировали. Лишь недавно эта
идея пережила некоторое возрождение, когда физики,
по существу, открыли работу Эверетта заново.

Множественные миры Эверетта

Хью Эверетт III родился в 1930 г. в семье военных. Его отец,
после развода принимавший участие в воспитании сына,
был во время Второй мировой войны подполковником Ге-
нерального штаба. После войны служил в Западной Гер-
мании, где к нему присоединился Хью. Интерес к физике
мальчик проявил уже в раннем возрасте. Он даже написал
письмо Эйнштейну, и тот так ответил на его вопрос о дав-
ней философской проблеме:

Дорогой Хью,

Не существует таких вещей, как непреодолимая сила
и неподвижное тело. Но есть, кажется, один очень упря-
мый мальчик, которому удалось успешно пробиться че-
рез необычные трудности, созданные им самим специ-
ально для этого.

Искренне ваш,

А. Эйнштейн.
В Принстоне Эверетт начал наконец все больше времени
посвящать своим научным интересам. Он теперь был сосре-
доточен на двух аспектах. Во-первых, как наука могла бы вли-
ять на военные дела, к примеру изучая военные действия при
помощи теории игр. А во-вторых, он пытался разобраться
в парадоксах квантовой механики. Его научным руководи-
телем при подготовке докторской диссертации был Джон
Арчибальд Уилер — тот же, кто был наставником Ричарда
Фейнмана. Уилер был одним из грандов физики, а в свое
время ему приходилось работать с Бором и Эйнштейном.

Эверетта не устраивала традиционная Копенгагенская
интерпретация квантовой механики, в которой волновая
функция загадочным образом схлопывается и определяет
состояние макромира, в котором мы живем.

Его решение было радикальным, но при всем том про-
стым и элегантным. Уилер сразу же понял значимость ра-
боты своего студента, но он был, помимо всего прочего,
реалистом. Он понимал, что эту теорию ожидает серьезный
разгром со стороны официальной науки. Поэтому Уилер не-
сколько раз просил Эверетта смягчить теорию, чтобы она
хотя бы на первый взгляд не выглядела такой радикальной.
Эверетту эта идея совершенно не нравилась, но, будучи
всего лишь студентом, он уступил и согласился с поправ-
ками. Уилер неоднократно пытался обсуждать теорию сво-
его студента с другими видными физиками, но, как пра-
вило, встречал холодный прием.

В 1959 г. Уилер даже организовал Эверетту встречу с са-
мим Нильсом Бором в Копенгагене. Это стало последней
попыткой Уилера завоевать какое-то признание для работы
своего ученика. Эверетт, по существу, был ягненком, вхо-
дящим в логово льва. Встреча закончилась катастрофой.
Присутствовавший на ней бельгийский физик Леон Розен-
фельд сказал позже, что Эверетт был «неописуемо [sic] глуп2
и не мог понять простейших вещей в квантовой механике».
Эверетт позже вспоминал, что эта встреча была «черт...
обречена с самого начала». Даже Уилер, который долгое
время пытался добиться, чтобы виднейшие физики хотя бы
познакомились с теорией Эверетта без предубеждения,
со временем отказался от нее, сказав, что за ней тянется
«слишком большой шлейф».

Поскольку все крупнейшие авторитеты в физике объеди-
нились против него, работа в области теоретической физики
для Эверетта оказалась практически недоступна, поэтому
он вернулся к своим военным исследованиям и получил
работу в Группе оценки систем вооружения Пентагона. Там
он занимался сверхсекретными исследованиями по ракетам
«Минитмен», по ядерной войне и ее последствиям, а также
по применению теории игр в военной науке.

Возрождение
параллельных вселенных

Тем временем, пока Эверетт работал на военное ведомство
и занимался вопросами, связанными с ядерной войной, его
идеи начали медленно проникать в физическое сообще-
ство. Одна проблема возникла, когда физики попытались
применить квантовую механику ко всей Вселенной, то есть
создать квантовую теорию гравитации.

В квантовой механике мы начинаем с волны, которая
описывает, как электрон может существовать одновременно
во множестве параллельных состояний. В итоге наблюда-
тель извне проводит измерение, и волновая функция схло-
пывается. Но, попытавшись применить этот метод ко всей
Вселенной целиком, мы сталкиваемся с проблемами.

Эйнштейн представлял себе Вселенную как своего рода
сферу, причем расширяющуюся. Мы живем на поверхности
этой сферы. Все это называется теорией Большого взрыва.
Но если мы применяем квантовую теорию ко всей Вселен-
ной, это означает, что Вселенная, подобно электрону, дол-
жна находиться во множестве параллельных состояний.

Таким образом, если попытаться применить суперпо-
зицию ко всей Вселенной целиком, неизбежно получишь
те самые параллельные вселенные, предсказанные Эверет-
том. Иными словами, стартовой точкой квантовой меха-
ники является то, что электрон может находиться в двух
состояниях одновременно. Если мы применяем квантовую
механику к целой вселенной, это означает, что эта вселен-
ная тоже должна находиться в параллельных состояниях,
то есть существовать в виде параллельных вселенных. Так
что без параллельных вселенных не обойтись.

Получается, что параллельные вселенные неизбежно
появляются при любой попытке описать всю Вселенную
в терминах квантовой теории. Вместо параллельных элек-
тронов мы получаем параллельные вселенные.

Но это оставляет открытым следующий вопрос: можем ли
мы проникать в эти параллельные вселенные? Почему мы
не видим все это бесконечное множество параллельных все-
ленных, некоторые из которых, вероятно, похожи на нашу,
тогда как другие, возможно, показались бы нам странными
и нелепыми? (Кстати говоря, мне часто задают один вопрос:
означает ли это, что в какой-то другой вселенной Элвис все
еще жив? Современная наука отвечает: возможно.)

Параллельные вселенные
в вашей гостиной

Нобелевский лауреат Стив Вайнберг однажды объяснил
мне, как следует мысленно обращаться с теорией множе-
ственности миров, чтобы ваш разум не вскипел. Пред-
ставьте себе, сказал он, что вы сидите спокойно в соб-
ственной гостиной, воздух которой пронизан излучением
от всевозможных радиостанций, разбросанных по всему
миру. В принципе, в вашей гостиной можно обнаружить
сотни сигналов от разных радиостанций. Но ваш радио-
приемник настроен только на одну частоту; он ловит только
одну станцию, поскольку синхронность колебаний с дру-
гими радиостанциями уже утрачена. Иными словами, ваш
радиоприемник уже «потерял когерентность» с другими
радиоволнами, заполняющими вашу гостиную. В комнате
полно радиоволн, но слышать их вы не можете, потому что
не настроены на них или, иными словами, не когерентны
с ними.

А теперь, сказал он мне, замените радиоволны кван-
товыми волнами электронов и атомов. В вашей гостиной
присутствуют волны других, параллельных вселенных —
к примеру, волны динозавров, инопланетян, пиратов, вул-
канов. Однако вы уже не можете с ними взаимодействовать,
поскольку когерентность утрачена. Вы больше не колебле-
тесь в унисон с волнами динозавров. Эти параллельные
вселенные не обязательно существуют в открытом космосе
или в другом измерении. Вполне может быть, что они есть
и в вашей гостиной. Так что проникнуть в параллельную
вселенную возможно, но если рассчитать вероятность та-
кого события, то выяснится, что ожидать его придется аст-
рономический промежуток времени.

Люди, умершие в нашей Вселенной, вполне могут быть
живы и здоровы в какой-то другой, параллельной; мало
того, они могут присутствовать прямо в нашей гостиной.
Но взаимодействовать с ними почти невозможно, по-
скольку мы с ними больше не когерентны. Так что Элвис,
конечно, может быть жив, но свои песни он горланит в дру-
гой, параллельной вселенной.
Вероятность попасть в одну из параллельных вселенных
практически равна нулю. Ключевое слово здесь «практи-
чески». В квантовой механике все сводится к вероятности.
К примеру, мы иногда просим наших аспирантов рассчитать
вероятность того, что завтра они проснутся на Марсе. В рам-
ках классической физики ответ будет нулевым, поскольку
мы не в состоянии просто так преодолеть гравитационный
барьер, удерживающий нас на Земле. Но в квантовом мире
можно рассчитать вероятность того, что вы «туннелируете»
через гравитационный барьер и на следующий день про-
снетесь на Марсе. (Проделав этот расчет, вы обнаружите,
что ждать этого события вам придется дольше, чем суще-
ствуют вселенные, так что, скорее всего, вы завтра утром
все же обнаружите себя в своей постели.)

Дэвид Дойч воспринимает эти умопомрачительные
концепции серьезно. «Почему квантовые компьютеры на-
столько мощные?» — спрашивает он. Потому что электроны
проводят вычисления одновременно в параллельных все-
ленных. Между собой они взаимодействуют через запуты-
вание. Именно поэтому они способны обогнать любой тра-
диционный компьютер, производящий вычисления только
в одной вселенной.

Чтобы это продемонстрировать, он достает портатив-
ную лазерную «установку», которую всегда держит в офисе.
Это просто лист бумаги с двумя отверстиями. Дойч светит
лазерным лучом на лист с отверстиями и получает с дру-
гой стороны красивую интерференционную картину. Дело
в том, что волна проходит сквозь оба отверстия одновре-
менно и интерферирует сама с собой с другой стороны ли-
ста, порождая интерференционную картину.

В этом нет ничего нового.

Но сейчас, говорит он, мы постепенно снизим интенсив-
ность лазерного луча почти до нуля. В итоге вместо волно-
вого фронта у нас останется единичный фотон, проходящий
сквозь оба отверстия. Но как может один-единственный
фотон света пройти сквозь два отверстия одновременно?

В обычной Копенгагенской интерпретации до момента
измерения ваш фотон реально существует в виде суммы
двух волн, по одной на каждое отверстие. Выделение от-
дельного фотона не имеет смысла, пока вы его не измерите.
И только измерив, вы узнаете, сквозь какое из отверстий
он прошел.

Эверетту эта картина не нравилась, поскольку озна-
чала, что получить ответ на вопрос, в какое отверстие во-
шел фотон, невозможно, пока не измеришь его. А теперь
применим эти рассуждения к электронам. В теории мно-
жественности миров Эверетта электрон — это точечная ча-
стица, которая в самом деле прошла сквозь одно отверстие,
но где-то в параллельной вселенной существует ее двой-
ник, прошедший сквозь второе. Затем эти два электрона,
находящиеся в разных вселенных, провзаимодействовали
друг с другом через запутанность, чтобы изменить траек-
торию нашего электрона и создать интерференционную
картину.

Подведем итог: единичный электрон может пройти
только через одну щель, но он все же способен породить
интерференционную картину, потому что может взаимо-
действовать со своим двойником, движущимся в какой-то
параллельной вселенной.

(Замечательно, что физики и сегодня спорят о различ-
ных интерпретациях схлопывания, или коллапса, волновой
функции. Но сегодня не только физики, но и школьники
влюблены в эту идею, поскольку многие любимые ими су-
пергерои комиксов живут как раз в мультивселенной. Когда
любимый супергерой оказывается в трудной ситуации, ино-
гда на помощь ему приходит его двойник в какой-нибудь
параллельной вселенной. Так что квантовая физика стала
горячей темой даже для детей.)
Краткое изложение квантовой теории

Давайте теперь просуммируем все необычные свойства
квантовой теории, которые и делают квантовые компью-
теры возможными.

1.	Суперпозиция. До момента наблюдения объект существует
во множестве возможных состояний. Так что электрон может
находиться в двух местах одновременно. Это очень сильно
увеличивает мощность компьютера, поскольку вы получаете
возможность считать при помощи большего числа состояний.

2.	Запутанность. Если две частицы когерентны, а вы их
разделяете, они по-прежнему смогут влиять друг на друга.
Такое взаимодействие происходит мгновенно. Это позво-
ляет атомам сообщаться между собой, даже находясь далеко
друг от друга. То есть мощность компьютера с добавлением
все большего числа кубитов, способных взаимодействовать
между собой, возрастает экспоненциально — намного бы-
стрее, чем у обычных компьютеров.

3.	Суммирование по траекториям. Когда частица движется
из одной точки в другую, она суммируется по всем воз-
можным траекториям, соединяющим эти две точки. Наи-
более вероятной является классическая, неквантовая траек-
тория, но все остальные траектории тоже вносят свой вклад
в конечную квантовую траекторию частицы. Это означает,
что могут реализоваться даже чрезвычайно маловероятные
траектории. Не исключено, что траектории молекул, дав-
ших начало жизни, реализовались именно благодаря этому
эффекту, что и сделало жизнь возможной.

4.	Туннельный эффект (туннелирование). Оказавшись перед
серьезным энергетическим барьером, частица, как правило,
В обычных условиях человек не может пройти сквозь кирпичную
стену. Но в квантовой механике существует маленькая,
но ненулевая вероятность того, что вы сможете «туннелировать»
прямо сквозь стену. В субатомном мире туннелирование —
обычное явление; возможно, оно объясняет, как могут протекать
экзотические химические реакции, делающие жизнь возможной.
Mapping Specialists Ltd.

не может его преодолеть. Но в квантовой механике суще-
ствует маленькая, но ненулевая вероятность того, что ча-
стица сможет пройти сквозь барьер, или «туннелировать».
Возможно, именно поэтому сложные химические реакции
жизни могут протекать при комнатной температуре даже
без большого притока энергии.

Прорыв Шора

До 1990-х гг. квантовые компьютеры все еще были в основ-
ном игрушкой для теоретиков. Они существовали в умах
небольшого, но блестящего круга «истинно верующих» уче-
ных и исследователей.

Однако работа Питера Шора в компании AT&T в начале
1990-х гг. резко все изменила. Из незаметной и, в общем-то,
незначительной диковинки, о которой можно было переки-
нуться парой слов в офисе возле кулера, квантовые компью-
теры вдруг превратились в важную тему, вошедшую очень
скоро в повестку дня правительств крупнейших стран мира.
Аналитиков в области обеспечения безопасности, не имев-
ших, как правило, физического образования, теперь про-
сили растолковать попонятнее загадки квантовой теории.

Всякий, кто смотрел хотя бы один фильм про Джеймса
Бонда, знает, что в мире, где так много конкурирующих
и даже враждебных национальных интересов, полно шпио-
нов и тайных шифров. Возможно, это голливудское пре-
увеличение, но шифры, которые используются агентствами
безопасности для защиты самых ценных национальных се-
кретов, являются настоящими драгоценностями в коронах
всех этих агентств. Вспомним, что взлом Тьюрингом шифра
нацистской «Энигмы» стал поворотным моментом в исто-
рии, помог приблизить окончание войны и изменил ход
развития человечества.

До того момента работа на квантовых компьютерах
представлялась как нечто довольно неопределенное и про-
ходила по ведомству посвященных в самые глубокие тайны
инженеров-электронщиков. Но Шор показал, что кванто-
вый компьютер способен взломать любой цифровой шифр
из ныне используемых, поставив таким образом под угрозу
мировую экономику — ведь пересылка миллиардов долла-
ров через интернет требует абсолютной секретности.

Ведущий шифр для тайных переводов называется RSA-
стандартом и основан на разложении очень большого числа
на простые множители (этот процесс называют также
факторизацией). Начнем, к примеру, с двух чисел дли-
ной юо десятичных знаков каждое. Если их перемножить,
можно получить число длиной под 2оо знаков. Перемно-
жение двух чисел — простая задача.

Но если некто с самого начала даст вам это 200-знач-
ное число и попросит разложить его на простые множители
(найти те самые два числа, при перемножении которых
получено данное число), то на решение этой задачи при
помощи цифрового компьютера может уйти не одно сто-
летие. Подобные вещи называются односторонними функ-
циями. В одном направлении, при перемножении двух чи-
сел, приведенная нами односторонняя функция тривиальна.
Но в обратном направлении она чрезвычайно сложна.
И классические, и квантовые компьютеры способны раз-
ложить большое число на простые множители. Мало того,
классический компьютер способен в принципе провести
любой расчет, который может провести квантовый ком-
пьютер, и наоборот, но, если данные окажутся слишком
сложными, классический компьютер может захлебнуться.

Ключевое преимущество квантового компьютера —
время. Хотя некоторые задачи под силу выполнить и клас-
сическому, и квантовому компьютеру, время, которое клас-
сический компьютер должен будет затратить на решение
трудной задачи, может сделать всю затею совершенно бес-
смысленной с практической точки зрения.

Таким образом, время, нужное классическому ком-
пьютеру для разложения большого числа на простые мно-
жители, непомерно велико, и взламывать таким образом
наши секреты попросту непрактично. Но квантовый ком-
пьютер способен взломать шифр за заданное время, ко-
торое по-прежнему велико, но может оказаться все же
достаточно небольшим, чтобы такой взлом обретал прак-
тический смысл.

Поэтому, когда хакеры пытаются вломиться в ваш ком-
пьютер, он обычно просит гостей разложить какое-нибудь
число — возможно, даже 200-значное — на простые мно-
жители. Зная, сколько времени уйдет на этот процесс, ха-
керы обычно просто отказываются от идеи проникновения.
Но если вы хотите, чтобы настоящий получатель прочел ваше
сообщение, все, что от вас требуется, — это дать ему заранее
те два более коротких числа. С их помощью можно легко «от-
переть» защищающую сообщение компьютерную программу.

В настоящий момент алгоритм RSA представляется на-
дежным, но в будущем, скорее всего, при помощи кван-
товых компьютеров можно будет разложить пресловутое
200-значное число на простые множители.

Чтобы посмотреть, как это работает, разберем алгоритм
Шора. На протяжении столетий математики придумали не-
мало алгоритмов, позволяющих разложить число на простые
множители, то есть найти числа, которые делятся только
на себя и на единицу. К примеру, 16 = 2X2X2X2, по-
скольку 2 делится только на себя и на 1.

Алгоритм Шора начинается со стандартных методов,
применяемых в классической математике при поиске про-
стых множителей для произвольного числа. Затем, ближе
к концу процесса, производится так называемое преобра-
зование Фурье. При этом возникает необходимость сум-
мирования по некоему комплексному множителю, так что
расчет протекает нормально. Но в квантовом случае нам
приходится суммировать по гораздо, гораздо большему
числу состояний, поэтому вместо суммирования нам при-
ходится применять квантовое преобразование Фурье. Ко-
нечный результат показывает, что этот расчет может быть
произведен за рекордное время, поскольку у нас имеется
значительно больше состояний, с которыми можно рабо-
тать.

Иными словами, и классический, и квантовый компью-
теры производят разложение на простые множители при-
мерно одинаковым способом, только квантовый компью-
тер суммирует по множеству состояний одновременно, что
сильно ускоряет процесс.

Пусть N — число, которое мы хотим разложить на про-
стые множители. Для обычного цифрового компьютера
время, которое на это требуется, с ростом числа растет экс-
поненциально, примерно так: t eN, и еще кое-какие немало-
важные множители. Так что время расчета может стреми-
тельно взлететь до астрономических величин, сравнимых
с возрастом Вселенной. Это делает факторизацию боль-
ших чисел возможной, но очень слабо применимой прак-
тически, если речь идет об использовании традиционного
компьютера.

Но если мы проделываем тот же расчет с использова-
нием квантового компьютера, время факторизации растет
лишь как t Nn, то есть как многочлен, поскольку квантовые
компьютеры астрономически быстрее цифровых.

Победа над алгоритмом Шора

Как только разведывательное сообщество полностью осо-
знало возможные последствия этого прорыва, спецслужбы
начали предпринимать шаги по противодействию ему.

Для начала Национальный институт стандартов и техно-
логий (NIST), который разрабатывает технические стандарты
для правительства США, выпустил заявление по поводу
квантовых компьютеров, в котором говорится, что реаль-
ная угроза со стороны квантовых компьютеров пока отстоит
от нас на многие годы. Но думать о них пора уже здесь и сей-
час. В будущем это может оказаться слишком поздно: сложно
изменить сразу целую отрасль, когда вдруг выяснится, что
квантовые компьютеры начали взламывать шифры.

Далее он предложил решение, при помощи которого
компании смогут частично нейтрализовать эту угрозу. Са-
мый доступный способ противостоять алгоритму Шора за-
ключается в том, чтобы увеличить число, которое необ-
ходимо разложить на простые множители. Со временем
квантовые компьютеры, возможно, научатся взламывать
и модифицированный шифр RSA, но это задержит любого
хакера и, может быть, сделает процедуру взлома неприем-
лемо дорогостоящей.
Но самый прямой путь решения этой проблемы состоит
в разработке новых, более сложных односторонних функ-
ций. Алгоритм RSA слишком прост, чтобы остановить кван-
товый компьютер, поэтому в памятной записке NIST упо-
минаются несколько новых алгоритмов, более сложных,
нежели первоначальный шифр RSA. Однако применять эти
новые односторонние функции непросто. И пока неясно,
смогут ли они остановить квантовые компьютеры.

Правительство США призвало компании и агентства
принять меры и заранее подготовиться к этому цифровому
катаклизму. NIST в США выпустил инструкцию о том, как
заложить фундамент для успешной борьбы с этой новой
угрозой национальной безопасности.

Но если дела будут развиваться от плохого к худшему,
правительства и крупные учреждения могут прибегнуть
к последнему средству, а именно применить против кван-
товых компьютеров квантовую криптографию, то есть об-
ратить мощь кванта против него же.

Лазерный интернет

В будущем совершенно секретные сообщения, возможно,
будут пересылаться по отдельному интернет-каналу при
помощи лазерных лучей, а не по электрическим кабелям.
Лазерные лучи поляризованы, это означает, что все волны
в них колеблются в одной плоскости. При попытке какого-
нибудь преступника незаконно подключиться к лазер-
ному лучу направление поляризации лазера поменяется,
что сразу же зафиксирует специальный монитор. Так вы
узнаете по законам квантовой теории, что кто-то подклю-
чился к вашей линии связи.
Таким образом, если преступник попытается перехва-
тить передаваемое сообщение, при этом непременно сра-
ботает сигнал тревоги. Однако, чтобы такая система зара-
ботала, для передачи важнейших национальных секретов
требуется отдельный, лазерный, интернет, так что решение,
безусловно, окажется весьма дорогостоящим.

Это может означать, что в будущем интернет, скорее
всего, будет двухслойным. Некоторым организациям, таким
как банки, крупные корпорации и правительства, придется
вносить дополнительную плату за возможность отправ-
лять сообщения по лазерной сети, которая гарантированно
обеспечит им безопасность, тогда как все остальные будут
пользоваться обычным интернетом без лишнего дорого-
стоящего слоя защиты.

Проблема безопасности ведет также к созданию новой
технологии, получившей название квантового распределе-
ния ключей (QKD), в которой ключи шифрования пере-
даются посредством запутанных кубитов, так что всегда
можно сразу засечь, если кто-то пытается без разрешения
вломиться в вашу сеть. Японская компания Toshiba уже
предсказывает, что до конца этого десятилетия технология
QKD способна принести до з млрд долларов прибыли.

Так что пока все придерживаются выжидательной так-
тики. Многие надеются, что угроза преувеличена. Но это
не останавливает ведущие корпорации мира перед вступ-
лением в гонку, которая определит, чья технология будет
доминировать в будущем.

Помимо киберугрозы, есть и другие совершенно новые
миры, которые можно завоевать при помощи квантовых
компьютеров, и компании сейчас толкаются локтями, пы-
таясь захватить инициативу в развитии новых перспектив-
ных технологий.

Не исключено, что победитель и будет определять бу-
дущее.
ГЛАВА 5

ГОНКА НАЧАЛАСЬ

Сегодня самые известные компании Кремниевой до-
лины делают ставки на то, чья лошадь придет в этой
гонке первой. Еще слишком рано судить о том, кто
это будет, но на кону стоит ни много ни мало будущее ми-
ровой экономики.

Чтобы понимать, как складывается гонка, важно с са-
мого начала осознать, что существует не одна компьютер-
ная архитектура, которая будет работать. Вспомним, что
машина Тьюринга основана на общих принципах, приме-
нимых к самому широкому спектру технологий. Так, ци-
фровой компьютер можно сделать, скажем, из водяных
труб и клапанов. Принципиальный компонент — система,
способная нести цифровую информацию в виде последо-
вательности нулей и единиц и способ обработки этой ин-
формации.

Аналогично и квантовые компьютеры могут иметь
самые разные конструкции. По существу, любая кванто-
вая система, способная совмещать состояния из нулей
и единиц и запутывать их так, чтобы они были в состоя-
нии обрабатывать эту информацию, становится кванто-
вым компьютером. Этой цели служат электроны и ионы
со спинами, направленными вверх или вниз, или поляри-
зованные фотоны, вращающиеся по часовой стрелке или
против. Поскольку квантовая теория управляет всей мате-
рией и энергией во Вселенной, потенциально существуют
тысячи способов построить квантовый компьютер. Размеч-
тавшись однажды вечером от нечего делать, любой физик
придумает десятки способов представить суперпозицию
нулей и единиц для создания совершенно нового кванто-
вого компьютера.

Итак, на что похожи эти разные конструкции и каковы
достоинства и недостатки каждой из них? Как мы видели,
компании и правительства вкладывают в эти технологии
миллиарды долларов, и выбор конструкции в этом случае
может повлиять на то, кто вырвется вперед в этой гонке.
Пока лидирует IBM с 433 кубитами, но здесь, как в настоя-
щих скачках, расстановка сил может измениться в любой
момент.

Название	Изготовитель	Число кубитов
Osprey	IBM	433
Jiuzhang	Китай	76
Bristlecone	Google	72
Sycamore	Google	53
Tangle Lake	Intel	49

Когда книга отправлялась в печать, IBM как раз выпу-
стила 433-кубитный квантовый компьютер Osprey и анон-
сировала появление в 2023 г. 1121-кубитного квантового
компьютера Condor. Старший вице-президент IBM и глава
исследовательского подразделения компании Дарио Джил
заявляет: «Мы считаем, что сможем продемонстрировать
квантовое преимущество — нечто, что в принципе будет
иметь практическую ценность, — в ближайшие пару лет.
Это наша текущая задача»1. Фактически IBM публично под-
твердила, что ее цель — построить со временем квантовый
компьютер на миллион кубитов.
Как же работает их самая передовая в отрасли конструк-
ция и на что похожа сейчас конкуренция?

1.	Сверхпроводящий квантовый компьютер

В настоящее время именно сверхпроводящий квантовый
компьютер устанавливает для всех квантовых компьюте-
ров планку вычислительной мощности. В 2019 г. компания
Google первой сделала ход, объявив о достижении кванто-
вого превосходства на своем сверхпроводящем квантовом
компьютере Sycamore.

Однако IBM не захотела отставать и позже вырвалась
вперед со своим квантовым процессором Eagle, который
в 2021 г. преодолел юо-кубитный барьер; после этого IBM
разработала 433-кубитный процессор Osprey.

Сверхпроводящие квантовые компьютеры обладают
огромным преимуществом: они могут пользоваться гото-
выми технологиями, разработанными цифровой компью-
терной индустрией. Компании Кремниевой долины потра-
тили несколько десятилетий, чтобы овладеть искусством
вытравливания крохотных схем на кремниевых пластинах.
Внутри каждой микросхемы числа о и i можно представ-
лять через наличие или отсутствие электронов в опреде-
ленном контуре.

Сверхпроводящий квантовый компьютер также основан
на этой технологии. При снижении температуры до доли
градуса выше абсолютного нуля контуры становятся кван-
тово-механическими, то есть когерентными, поэтому су-
перпозиции электронов ничто не мешает. Затем, сближая
различные контуры, можно запутать их и сделать таким
образом возможными квантовые вычисления.

Но у такого подхода есть и недостаток — для охлажде-
ния машины необходима сложная система трубок и насосов.
Это поднимает ее стоимость и привносит вероятность новых
Рис. 8. Квантовый компьютер

Квантовый компьютер, подобный представленному
на фото, часто напоминает собой большую люстру.
Большая часть сложного оборудования здесь состоит
из трубок и насосов, необходимых для охлаждения ядра
до температуры, близкой к абсолютному нулю. Настоящее
сердце квантового компьютера может быть примерно
вчетверо меньше и располагаться ближе к нижней
части фото.

Andrew Lindemann, courtesy IBM

сложностей и ошибок. Малейшая вибрация или незначи-
тельное нарушение чистоты может нарушить когерентность
контуров. Стоит кому-нибудь неосторожно чихнуть рядом
с машиной — и эксперимент придется начинать сначала.

Ученые измеряют эту чувствительность так называемым
временем когерентности, то есть временем, на протяжении
которого атомы продолжают колебаться когерентно. В об-
щем случае чем ниже температура, тем медленнее дви-
жутся окружающие атомы и тем больше получается время
когерентности. Охлаждение машин до температур более
низких, чем бывает в открытом космосе, максимизирует
время когерентности.
Однако, поскольку достичь абсолютного нуля в реаль-
ности невозможно, в расчет будут неизбежно вкрадываться
ошибки. Если в случае с обычным цифровым компьютером
об этом беспокоиться не нужно, то для квантового компью-
тера это становится по-настоящему крупной помехой. Это
означает, что вы не можете полностью доверять результа-
там расчета. А если на кону стоят переводы в миллиарды
долларов, это наверняка превратится в серьезную проблему.

Одно из решений этой проблемы — резервирование
каждого кубита неким набором кубитов, что порождает из-
быточность и снижает частоту ошибок в системе. Пусть,
к примеру, квантовый компьютер производит некий расчет,
причем каждый кубит в нем резервируется тремя другими
кубитами и дает на выходе цепочку чисел юг; поскольку
величины не совпадают, средняя цифра, скорее всего, оши-
бочна и должна быть заменена на г. Избыточность может
снизить вероятность ошибки в итоговом результате, но лишь
ценой сильного увеличения числа кубитов в системе.

Высказывались предположения, что для резервирова-
ния всего одного кубита потребуется ни много ни мало юоо
кубитов, чтобы такой набор кубитов был способен испра-
вить вкравшиеся в расчет ошибки. Но это означает, что
для юоо-кубитного квантового компьютера вам понадо-
бится аж миллион кубитов. Это огромное число потребует
максимального развития технологий, но, по оценке Google,
процессор с миллионом кубитов может быть создан уже
в ближайшие десять лет.

2.	Квантовый компьютер на ионных ловушках

Еще один участник гонки — квантовый компьютер на ион-
ных ловушках. Если взять электрически нейтральный атом
и лишить его некоторых электронов, получится положи-
тельно заряженный ион. Ион можно поместить в ловушку,
Рис. 9- Квантовый компьютер на ионных ловушках

Атомы могут вращаться волчком и выравниваться
под действием магнитного поля. Если атом вращается
вверх, он может представлять собой число о. Если он
вращается вниз, он может быть числом 1. Но атомы
способны существовать и в суперпозиции этих двух
состояний. Вычисления производятся путем воздействия
на эти атомы лазером, который переворачивает спины
и меняет местами о и 1, тем самым производя вычисления.

Mapping Specialists Ltd.

состоящую из серии электрических и магнитных полей, где
он будет висеть, а если поместить рядом несколько ионов,
они будут колебаться, как когерентные кубиты. К примеру,
если спин электрона направлен вверх, то состояние соот-
ветствует о. Если спин направлен вниз, состояние соответ-
ствует г. Так что результатом, благодаря странным эффек-
там квантового мира, будет суперпозиция двух состояний.

Затем на эти ионы можно направить микроволны или
лазерные лучи, которые будут их переворачивать и за-
ставлять менять состояние. Таким образом, эти лучи дей-
ствуют как процессор, превращая одну конфигурацию ато-
мов в другую, — точно так же, как центральный процессор
в цифровом компьютере переключает транзисторы из от-
крытого состояния в закрытое и обратно.

Так что это, возможно, самый понятный способ увидеть,
как из набора случайных электронов получается квантовый
компьютер. Компания Honeywell — один из ведущих сто-
ронников этой модели.

В квантовом компьютере на ионных ловушках атомы
располагаются в состоянии, близком к вакууму, и удержива-
ются на местах сложной системой электрических и магнит-
ных полей, способных принимать на себя и гасить случай-
ные движения. Поэтому время когерентности здесь может
быть намного больше, чем в сверхпроводящем квантовом
компьютере, к тому же ионный компьютер может рабо-
тать при более высокой температуре, чем его конкуренты.
Однако проблемой для него является масштабирование,
то есть любая попытка увеличить число кубитов. Масшта-
бирование — весьма трудная задача, поскольку для поддер-
жания когерентности приходится постоянно подстраивать
электрические и магнитные поля, а это сложный процесс.

3.	Фотонный квантовый компьютер

Вскоре после того, как Google заявил о достижении кван-
тового превосходства, китайцы сообщили, что им удалось
взять еще более серьезный барьер, выполнив за 200 секунд
расчет, на который у цифрового компьютера ушло бы пол-
миллиарда лет.

Квантовый физик Фабио Скьяррино из Университета
Сапиенца в Риме вспоминает, что, когда он услышал ново-
сти, его «первым впечатлением было: вау!»2 Их квантовый
компьютер считал не на электронах, а на лазерных лучах.

В конструкции фотонного квантового компьютера ис-
пользуется тот факт, что свет может колебаться в разных
направлениях, то есть иметь разную поляризацию. К при-
меру, световой луч может колебаться вертикально вверх
и вниз, а может — в стороны, вправо и влево. (Этой осо-
бенностью пользуется всякий, кто покупает солнечные очки
с поляризованными линзами, чтобы ослабить солнечный
свет на пляже. К примеру, поляризованные стекла ваших
очков могут иметь серию параллельных бороздок, ориен-
тированных вертикально, и они блокируют солнечный свет,
колеблющийся в горизонтальном направлении.) Так что
число о или 1 может быть представлено светом, колеблю-
щимся в разных поляризованных направлениях.

Фотонный квантовый компьютер начинает с того, что
направляет лазерный луч на специальный расщепитель, ко-
торый представляет собой просто хорошо отполированный
кусочек стекла, стоящий под углом 450. На нем лазерный
луч расщепляется пополам — одна половина продолжает
идти в прежнем направлении, а другая отражается вбок.
Здесь важно, что эти два пучка фотонов когерентны между
собой и колеблются в унисон.

Затем эти два когерентных пучка попадают на два по-
лированных зеркала, которые вскоре отражают их обратно
в некую общую точку, где два фотона запутываются друг
с другом. Таким способом можно получить кубит. Резуль-
тирующий пучок представляет собой суперпозицию двух
запутанных фотонов. А теперь представьте себе поверх-
ность стола, состоящую из, возможно, сотен расщепителей
пучка и зеркал, где запутывается целая группа когерентных
фотонов. Именно так оптический квантовый компьютер
творит свои чудеса. Тот китайский фотонный компьютер,
о котором шла речь, был способен вычислять при помощи
76 запутанных фотонов, бегающих по юо каналам.

Но фотонные компьютеры имеют один серьезный не-
достаток: они представляют собой неуклюжие конструкции
из зеркал и расщепителей пучка, способные легко запол-
нить большое пространство. Для каждой задачи вам нужно
заново настраивать сложный набор зеркал и расщепите-
лей, устанавливая их всякий раз в новое положение. Это
не универсальная машина, которую можно запрограммиро-
вать на мгновенные вычисления. После каждого расчета ее
необходимо разбирать и собирать в новой конфигурации,
причем очень точно, что требует немалого времени. Более
того, поскольку фотоны слабо взаимодействуют с другими
фотонами, создавать кубиты все более высокой сложности
очень трудно.

Однако в том, что в квантовом компьютере использу-
ются фотоны, а не электроны, есть и некоторые преимуще-
ства. Если электроны активно взаимодействуют с обычным
веществом, поскольку они заряжены (и, следовательно,
возмущения среды могут быть весьма существенными),
то фотоны не заряжены и потому ощущают меньше шума
от окружающей среды. И действительно, лучи света спо-
собны проходить сквозь другие световые лучи с минималь-
ными искажениями. Кроме того, фотоны намного быстрее
электронов, их скорость в десять раз превышает скорость
электрических сигналов.

Но самым серьезным преимуществом фотонного ком-
пьютера, которое со временем, возможно, перевесит другие
факторы, является его способность работать при комнат-
ной температуре. Не нужны оказываются дорогостоящие
насосы и трубки, необходимые для охлаждения машины
почти до абсолютного нуля, — а ведь это оборудование
значительно повышает стоимость.

Поскольку фотонные компьютеры работают при ком-
натной температуре, время когерентности для них очень
невелико. Но это компенсируется тем фактом, что лазерные
лучи могут обладать высокой энергией и, соответственно,
вычисления могут проводиться намного быстрее времени
когерентности, так что возникает впечатление, что окружа-
ющие молекулы при этом движутся в замедленном темпе.
Это снижает число ошибок, возникающих из-за взаимодей-
ствия со средой. В долгосрочной перспективе преимущества
от снижения числа ошибок и стоимости вполне могут пере-
весить преимущества других конструкций.

Совсем недавно один канадский стартап под названием
Xanadu представил свой фотонный квантовый компьютер,
обладающий интересной особенностью. Он основан на кро-
хотной микросхеме (а не на многочисленном оптическом
оборудовании, занимающем целый стол), в которой инфра-
красный лазерный луч пропускается через микроскопиче-
ский лабиринт расщепителей. В отличие от китайской кон-
струкции, микросхема Xanadu является программируемой,
и компьютер на ее основе доступен через интернет. Однако
в нем всего восемь кубитов, да и сверхпроводящие охла-
дители здесь тоже необходимы. Но, как говорит Закари
Вернон из Xanadu, «долгое время фотоника считалась аут-
сайдером в гонке за создание квантового компьютера...
С этими результатами... становится ясно, что фотоника
не аутсайдер, а, напротив, один из ведущих претендентов
на победу»3. Время покажет.

4,	Кремниевые фотонные компьютеры

Недавно в гонку вступила новая компания, вызвавшая при
этом много споров. Новоиспеченный стартап PsiQuantum
убедил инвесторов в преимуществах их конструкции крем-
ниевого фотонного компьютера и шокировал Уолл-стрит,
достигнув поразительной капитализации в 3,1 млрд долла-
ров. При этом он не представил даже прототипа или демон-
страционного проекта, который свидетельствовал бы, что
конструкция действительно работает.

Серьезным преимуществом кремниевых фотонных
компьютеров должно стать то, что они могут пользо-
ваться проверенными и испытанными методами, отрабо-
танными в полупроводниковой промышленности. Мало
того, PsiQuantum — совместное предприятие с компанией
GlobalFoundries, одним из трех самых продвинутых произ-
водителей микросхем в мире. Именно сотрудничество с из-
вестной высокотехнологичной компанией позволило этой
молодой компании сразу же получить признание на Уолл-
стрит.

Одна из причин, по которым PsiQuantum удостоилась
такого внимания со стороны медиа, состоит в том, что она
представила самый амбициозный план на будущее среди
всех участвующих в гонке компаний. Организаторы за-
явили, что к середине века у них будет кремниевый опти-
ческий компьютер на миллион кубитов, пригодный для
практического применения. Они считают, что конкуренты,
сосредоточившие внимание на квантовых компьютерах
примерно на юо кубитов, очень уж консервативны, по-
скольку фокусируются на небольших постепенных улучше-
ниях. Сама же PsiQuantum надеется двигаться в будущее
громадными скачками, обходя более осторожных и бояз-
ливых соперников.

Один из ключевых моментов их программы — двой-
ственная природа кремния. Этот материал может исполь-
зоваться не только для производства транзисторов и, соот-
ветственно, управления потоком электронов, но также и для
передачи света, поскольку он прозрачен для определенных
частот инфракрасного излучения. Такая двойственная при-
рода принципиально важна для запутывания фотонов.

Серьезный выигрышный момент — то, что создатели
такого компьютера решают задачу коррекции ошибок. По-
скольку ошибки вкрадываются в любой расчет из-за взаи-
модействия с окружающей средой, нам нужна встроенная
в систему избыточность, то есть лишние кубиты. Имея мил-
лион кубитов, считают разработчики, они в состоянии кон-
тролировать эти ошибки, так чтобы на компьютере можно
было проводить практические расчеты.

у. Топологические квантовые компьютеры

Темная лошадка в этой гонке — разработка Microsoft, в ко-
торой используются топологические процессоры.

Как мы уже видели, несколько перечисленных выше
вариантов страдают одним серьезным недостатком —
в них должна поддерживаться температура, близкая к аб-
солютному нулю. Но согласно квантовой теории суще-
ствует и другой способ построить квантовый компьютер,
помимо ионных ловушек и фотонных систем. Система спо-
собна оставаться стабильной при комнатной температуре,
если она обладает некоторыми особыми топологическими
свойствами, которые всегда сохраняются. Представьте себе
кольцевую веревку с узлом на ней. Если разрезать веревку
нельзя, то узел с нее удалить невозможно. Топология ве-
ревки (ее форма, в данном случае узел) не может быть из-
менена никакими манипуляциями — веревку можно только
разрезать. Аналогично физики пытаются отыскать физи-
ческие системы, которые сохраняют топологию, какой бы
ни была температура. Если обнаружить такие системы,
то это значительно снизило бы стоимость и повысило бы
стабильность квантового компьютера. При наличии такой
системы когерентные кубиты можно будет создавать из по-
добных топологических конфигураций.

В 2018 г. физики Делфтского технического университета
в Нидерландах объявили, что им удалось открыть материал
с такими свойствами — это нанопроволоки из антимонида
индия. Этот материал появился в результате сложной се-
рии взаимодействий множества составляющих и потому
получился «эмерджентным». Он получил название квази-
частицы с майорановскими нулевыми модами. Средства
массовой информации сразу начали превозносить его как
волшебный материал, который будет стабильным даже при
комнатной температуре. Microsoft даже щедро раскрыл че-
ковую книжку и начал оборудовать на территории универ-
ситета новую квантовую лабораторию.

Все это очень походило на прорыв поистине величай-
ших масштабов, но тут другая группа исследователей объ-
явила, что не может повторить заявленный результат. По-
сле тщательной проверки делфтская группа подтвердила,
что они, возможно, поторопились интерпретировать свои
результаты. Статья была отозвана.

Ставки настолько высоки, что даже физики начинают
верить собственным пресс-релизам. Однако есть и другие
топологические объекты, изучение которых продолжается,
к примеру анионы, так что такой подход по-прежнему счи-
тается перспективным.

6. Квантовые компьютеры компании D-Wave

Наконец, в настоящее время существует еще один тип кван-
товых вычислений, известный как квантовый отжиг. Зани-
мается им компания D-Wave со штаб-квартирой в Канаде.
Несмотря на то что в полную силу мощь квантовых ком-
пьютеров здесь не используется, D-Wave утверждает, что
способна производить машины с числом кубитов до 5600 —
а это намного больше, чем достигается в остальных кон-
курирующих конструкциях, — и планирует в ближай-
шие несколько лет предложить компьютеры с более чем
7000 кубитов. На данный момент некоторые самые извест-
ные компании уже приобрели компьютеры D-Wave, кото-
рые продаются на свободном рынке и стоят где-то между ю
и 15 млн долларов. Среди этих компаний Lockheed Martin,
Volkswagen, японская NEC, Лос-Аламосская националь-
ная лаборатория и NASA. Судя по всему, квантовые ком-
пьютеры D-Wave превосходно работают по крайней мере
в одной области — в области оптимизации. Компании, за-
интересованные в оптимизации тех или иных параметров
своего бизнеса (таких как снижение количества отходов,
максимизация эффективности, повышение прибыли), вло-
жили деньги в эту технологию. Компьютеры D-Wave могут
оптимизировать данные, манипулируя токами в сверхпро-
водящих контурах при помощи магнитных и электрических
полей и выводя систему в конечном итоге в максимально
низкое энергетическое состояние.

Подведем итог. Между корпорациями и даже правитель-
ствами идет напряженная борьба за получение начального
преимущества в развитии этой новой технологии. Скорость
прогресса в этой области поразительна. У каждой крупной
компьютерной компании есть своя программа разработки
квантового компьютера. Прототипы уже доказывают свою
полезность и даже продаются на рынке.

Но следующий серьезный вызов состоит в том, чтобы
квантовые компьютеры начали решать реальные практи-
ческие задачи, способные изменить траекторию развития
целых отраслей. Ученые и инженеры сосредоточены на том,
чтобы выйти далеко за рамки возможностей цифровых
компьютеров. Их цель — научиться применять квантовые
компьютеры для решения крупнейших задач в науке и тех-
нике.

Один из фокусов исследований — раскрытие квантовых
механизмов, стоящих за происхождением жизни, что по-
может разгадать загадку фотосинтеза, накормить планету,
обеспечить общество энергией и избавиться от неизлечи-
мых сегодня болезней.
ЧАСТЬ II

КВАНТОВЫЕ
КОМПЬЮТЕРЫ
И ОБЩЕСТВО

ГЛАВА 6

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ

Каждая культура тщательно хранит мифы о том, как
зарождалась жизнь. Во все времена люди пытались
разгадать загадку богатства и разнообразия жизни
на Земле. В Библии, к примеру, Бог сотворил небо и землю
за шесть дней. Он создал человека по своему образу и подо-
бию из праха земного, а затем вдохнул в него жизнь. Расте-
ния и животные были сотворены для того, чтобы человек
ими распоряжался.

В греческой мифологии в начале были только бес-
форменный хаос и пустота. Но из этой безграничной пу-
стоты родились боги, такие как Гея, богиня земли, Эрос,
бог любви, и Эфир, бог света. Затем от союза Геи и Урана,
бога ночного неба, появились существа, которые заселили
землю.

Происхождение жизни — одна из величайших, воз-
можно, загадок всех времен. Этот вопрос чаще любого дру-
гого выходил на первый план в религиозных, философских
и научных дискуссиях. На протяжении всей истории мно-
гие глубочайшие мыслители верили, что существует некая
загадочная «жизненная сила», способная оживить нежи-
вое. Более того, многие ученые верили в так называемое
спонтанное зарождение жизни — в то, что жизнь может
волшебным образом возникать сама по себе из неживой
материи.
В XIX в. ученые собрали воедино многие указания на то,
как и откуда появляется жизнь. Тщательные эксперименты
Луи Пастера и других ученых убедительно показали, что
жизнь не может возникать спонтанно, как считалось пре-
жде. Пастер продемонстрировал, что при помощи кипяче-
ния воды можно создать стерильную среду, в которой ни-
какие организмы спонтанно не возникнут.

Даже сегодня в наших представлениях о том, как почти
4 млрд лет назад на Земле появилась впервые жизнь, зияет
множество дыр. К тому же при анализе фундаментальных
биологических и химических процессов на атомном уровне,
способных пролить свет на эту проблему, цифровые ком-
пьютеры бесполезны. Даже простейший молекулярный
процесс может быстро перегрузить цифровой компьютер.
Однако при помощи квантовой механики нам, возможно,
удастся заполнить большую часть пробелов и разгадать
тайны жизни. Квантовые компьютеры идеально подходят
для таких задач и уже начинают раскрывать некоторые
из глубочайших тайн жизни на молекулярном уровне.

Два прорыва

В 1950-е гг. произошло два масштабных прорыва, задавших
на десятилетия вперед направление дальнейших исследова-
ний, посвященных происхождению жизни. Сначала в 1952 г.
аспирант Стэнли Миллер, работавший в Университете Чи-
каго под руководством Гарольда Юри, провел простой экс-
перимент. Он взял сосуд с водой и добавил туда ядови-
тый декокт из самых разных химических веществ, включая
метан, аммиак, воду, водород и другие вещества; Миллер
считал, что этот коктейль напоминает суровую атмосферу
древней безжизненной Земли. Чтобы дополнить систему
энергией (подражая, возможно, потокам ультрафиолето-
вого излучения от Солнца), он добавил туда небольшую
электрическую искру. А потом ушел и оставил эксперимен-
тальную установку на неделю.

Вернувшись, он обнаружил в сосуде какую-то красную
жидкость. Тщательно ее исследовав, он понял, что цвет
жидкости был вызван присутствием в ней аминокислот —
основных компонент белков нашего тела. Иными словами,
базовые ингредиенты жизни образовались без всякого
внешнего вмешательства.

Впоследствии этот простой эксперимент повторялся
и модифицировался сотни раз, позволяя ученым хотя бы
краешком глаза взглянуть на древние химические реакции,
ставшие, возможно, отправной точкой жизни. Можно пред-
ставить себе, к примеру, что источником основных химиче-
ских элементов, необходимых для создания первых химиче-
ских веществ жизни, могли послужить токсичные химикаты,
обнаруживаемые в гидротермальных источниках на дне
океанов, и что эти же вулканические источники могли обес-
печить энергию для превращения этих химикатов в амино-
кислоты, необходимые для жизни. В самом деле, некоторые
из самых примитивных клеток на Земле обнаруживаются
именно там, возле этих подводных вулканических кратеров.

Сегодня мы понимаем, насколько просто получить
строительные кирпичики жизни. Аминокислоты обнару-
жены в далеких газовых облаках за много световых лет
от нас и внутри метеоритов, прилетевших к нам из откры-
того космоса. Может быть, аминокислоты на основе угле-
рода образуют семена жизни всюду, по всей Вселенной.
И все это благодаря простым способностям к образованию
химических связей, присущим водороду, углероду и кисло-
роду и предсказанным уравнением Шрёдингера.

Таким образом, мы должны, по идее, иметь возмож-
ность применить квантовую механику и найти, шаг за ша-
гом, квантовые процессы, положившие начало жизни
на Земле. Элементарная квантовая теория помогает нам по-
нять, почему эксперимент Миллера был настолько удачным,
и может указать путь к серьезным открытиям в будущем.

Во-первых, при помощи квантовой механики можно
рассчитать энергию, необходимую для разрушения хими-
ческих связей метана, аммиака и т. п. для создания амино-
кислот. Уравнения квантовой механики показывают, что
энергии электрической искры вроде той, что была в экспе-
рименте Миллера, для этого достаточно. Более того, кван-
товая механика свидетельствует, что если бы энергия акти-
вации, необходимая для разрыва этих химических связей,
оказалась бы почему-то намного выше, то жизнь на Земле
никогда бы не появилась.

Во-вторых, мы видим, что углерод имеет шесть электро-
нов. Два из них занимают орбиталь первого уровня, а остав-
шиеся четыре располагаются по отдельности на четырех
местах орбиталей второго уровня. Это оставляет простран-
ство для четырех химических связей. Элементы с четырьмя
связями в периодической таблице химических элементов
встречаются редко. Но правила квантовой механики по-
зволяют этой структуре составлять длинные и сложные це-
почки из атомов углерода, кислорода и водорода, создавая
таким образом аминокислоты.

В-третьих, эти химические реакции протекают в воде,
Н2О, которая служит чем-то вроде плавильного котла, где
разные молекулы встречаются и образуют более сложные
химические вещества. Пользуясь квантовой механикой,
можно выяснить, что молекула воды по форме напоминает
букву L. Можно также рассчитать, что два атома водорода
в ней расположены под углом 104,5° по отношению друг
к другу. Это, в свою очередь, означает, что молекула воды
обладает суммарным электрическим зарядом, распреде-
ленным по ней неравномерно. Этот электрический заряд
достаточно велик, чтобы разрывать слабые связи других
химических веществ, и именно поэтому вода может рас-
творять многие вещества.

Таким образом, мы видим, что основы квантовой меха-
ники вполне способны создать условия для жизни. Но встает
следующий вопрос: в состоянии ли мы пойти дальше экспе-
римента Миллера и посмотреть, может ли квантовая тео-
рия создать ДНК? И, помимо этого, можно ли применить
квантовые компьютеры к человеческому геному и раскрыть
с их помощью тайны болезней и старения?

Что такое жизнь?

Второй прорыв произошел непосредственно в квантовой
механике. В 1944 г. Эрвин Шрёдингер, уже прославившийся
к тому моменту своим волновым уравнением, написал зна-
ковую книгу под названием «Что такое жизнь?». В ней он
сделал смелое заявление, что жизнь сама по себе есть по-
бочный продукт квантовой механики и что проект жизни
зашифрован в какой-то неизвестной молекуле. В эпоху, ко-
гда многие ученые всё еще верили, что всю живую материю
одушевляет загадочная «жизненная сила», он утверждал:
жизнь можно объяснить при помощи квантовой физики.
Исследуя решения своего волнового уравнения, Шрёдингер
предположил, что жизнь могла возникнуть из чистой мате-
матики в виде шифра, передаваемого из поколения в поко-
ление посредством этой загадочной молекулы.

Идея вызвала скандал в научном сообществе. Но двое мо-
лодых ученых, физик Фрэнсис Крик и биолог Джеймс Уотсон,
восприняли ее как вызов. Если основа жизни может быть об-
наружена в некой молекуле, то их задача — обнаружить эту
молекулу и доказать, что она несет в себе жизненный шифр.
«С того момента, как я прочел "Что такое жизнь?” Шрё-
дингера, я нацелился на раскрытие тайны гена»1, — вспо-
минает Уотсон.

Они рассуждали так: молекула жизни, предсказанная
Шрёдингером, должна быть скрыта в генетическом мате-
риале ядра клетки, значительная часть которого состоит
из химического вещества под названием дезоксирибону-
клеиновая кислота (ДНК). Но поскольку органические мо-
лекулы, такие как ДНК, очень малы (меньше даже, чем
длина волны видимого света) и они невидимы, задача уче-
ных представлялась крайне сложной. Они выбрали кос-
венный метод и решили использовать для поиска своей
мифической молекулы процесс рентгенографической кри-
сталлографии, основанный на квантовой теории.

Рентгеновские лучи, в отличие от видимого света, мо-
гут обладать длиной волны, сравнимой с размерами атома.
Если рентгеновские лучи пропускаются сквозь кристалл,
состоящий из триллионов и триллионов молекул, орга-
низованных в некую решетку, лучи рассеиваются на этой
решетке и образуют после этого ясно видимую интерфе-
ренционную картину, которую можно сфотографировать.
Подготовленный физик может изучить фотопластинки
и определить, кристаллическая структура какого типа об-
разовала эту картину.

Взглянув на рентгеновские фотографии ДНК, сделанные
Розалиндой Франклин, Крик и Уотсон увидели интерферен-
ционную картину, которую, по их мнению, должна была
образовать двойная спираль. Зная, что в целом структура
ДНК представляет собой двойную спираль и напоминает
закрученную лесенку, они сумели восстановить и полную
ее структуру, атом за атомом.

Квантовая механика дала им углы между связями, со-
держащими атомы углерода, водорода и кислорода. Исходя
из этого, они, как дети, собирающие модель из конструк-
тора Lego, смогли восстановить полную атомную структуру
ДНК и объяснить, как она способна копировать саму себя
и обеспечивать инструкциями все биологическое развитие.

Все это, в свою очередь, изменило саму природу биоло-
гии и медицины. Веком ранее Чарльз Дарвин нарисовал эскиз
Древа жизни, ветви которого представляли все богатое раз-
нообразие ее форм. Это громадное Древо брало свое начало
от одной-единственной молекулы. И, как предсказывал Шрё-
дингер, все это можно было вывести при помощи математики.

Разобравшись в молекуле ДНК, они обнаружили, что она
построена из четырех разновидностей объединений атомов,
которые называют нуклеиновыми кислотами. Четыре нуклеи-
новые кислоты, обозначаемые А, С, Т и G, выстроены в линей-
ной последовательности и образуют две длинные параллель-
ные цепочки, которые затем сращиваются перекладинками,
подобно лестнице, и создают молекулу ДНК. (Нить ДНК неви-
дима, но если ее распутать, то длина одной молекулы дости-
гала бы почти 2 м.) Когда приходит пора самокопирования,
двойная спираль ДНК раскручивается и разделяется на две
отдельные цепочки нуклеиновых кислот. Затем каждая из це-
почек служит своеобразным шаблоном, захватывая другие
атомы в нужном порядке, так что в конечном итоге каждая
отдельная цепочка вновь становится двойной и снова закру-
чивается в спираль. Именно так жизнь воспроизводит себя.

Теперь у нас есть архитектура, по которой можно вы-
страивать молекулу ДНК, пользуясь при этом математикой
квантовой теории. Но определение базовой формы моле-
кулы ДНК было в каком-то смысле легкой частью задачи.
Трудная часть — это расшифровка миллиардов кодов, скры-
тых в этой молекуле.

Представьте, что вы, пытаясь разобраться в музыке, на-
учились в конце концов извлекать несколько нот из клавиа-
туры пианино. Но это не делает вас Моцартом. Знакомство
с первыми нотами — всего лишь начало долгого пути.
Физика и биотехнологии

Одним из тех, кто возглавил усилия ученых по секвени-
рованию всех генов человека, стал биохимик из Гарварда
и нобелевский лауреат Уолтер Гилберт. Когда я брал у него
интервью, он признался, что первоначально не планиро-
вал работать в этой области. Мало того, он начинал рабо-
тать в Гарвардском университете профессором физики, из-
учал поведение субатомных частиц, создаваемых в мощных
ускорителях. Ему даже в голову не приходило, что когда-
нибудь он будет работать в области биологии.

Но постепенно его взгляды начали меняться. Сначала
он понял, как трудно получить пожизненную должность
в Гарварде при такой мощной конкуренции. В области фи-
зики элементарных частиц работало множество ярких ис-
следователей, с которыми ему приходилось соперничать.
Случилось так, что его жена работала у Джеймса Уотсона,
с которым Гилберту доводилось встречаться раньше, еще
в Кембриджском университете, так что у него была воз-
можность познакомиться с новаторскими исследованиями
в новой области биотехнологий, которая тогда переживала
бурный рост, переполняясь новыми идеями и открытиями.
Заинтересовавшись, он в какой-то момент обнаружил, что
делит свое время между мудреными уравнениями элемен-
тарных частиц и черной работой в биологии.

Так что он решил рискнуть и отважился на самую боль-
шую авантюру в своей карьере.

Как профессор физики, Гилберт совершил громадный
прыжок, переключившись с теоретической физики эле-
ментарных частиц на биологию. Но риск оправдался, по-
скольку в 1980 г. он получил Нобелевскую премию по хи-
мии. Помимо прочих достижений, он одним из первых
разработал методику быстрого чтения молекулы ДНК ген

за геном.
Тот факт, что он пришел из физики, на самом деле ока-
зался для Гилберта неплохим подспорьем. Традиционно
на большей части биологических кафедр работали в основ-
ном люди, которые специализировались на каком-то одном
животном или растении. Некоторые всю жизнь занимались
тем, что разыскивали в природе новые виды и давали им
имена. А прорывные открытия неожиданно начали делать
квантовые физики при помощи продвинутого дифферен-
циального и интегрального исчисления. Беглое владение
тайным языком квантовой механики помогло Гилберту со-
вершить прорыв, который изменил наши представления
о молекулярном фундаменте жизни.

Затем он принял участие в запуске проекта «Геном че-
ловека» и помог ему набрать ход. В 1986 г., выступая в ла-
боратории Колд-Спринг-Харбор в Нью-Йорке, он оценил
стоимость этого амбициозного и беспрецедентного проекта
в з млрд долларов. «Аудитория была поражена, — вспо-
минал автор книги “Генные войны” Роберт Кук-Диган. —
Слайды Гилберта вызвали волнение в зале». Многие считали
приведенную оценку невероятно низкой. Когда Гилберт сде-
лал это дерзкое предсказание, была секвенирована лишь
небольшая горстка генов. Многие ученые даже считали, что
геном человека навсегда останется недостижимым для нас.

Но именно эта сумма стала бюджетом, который Кон-
гресс США выделил на проект «Геном человека». Техника
совершенствовалась так быстро, что проект был завершен
раньше намеченного срока и с запасом уложился в бюд-
жет — неслыханное в Вашингтоне дело. (Я спросил его,
как он получил это число. Он знал, что в нашей ДНК при-
сутствует з млрд пар оснований, и оценил приблизительно,
что в конечном итоге секвенирование одной пары основа-
ний обойдется нам в один доллар.)

Гилберт даже предсказал, что в будущем «можно бу-
дет пойти в аптеку и получить запись последовательно-
сти собственной ДНК на лазерном диске, который затем
мы сможем проанализировать дома на своем компьютере
Macintosh... Мы вытащим CD из кармана и скажем: "Здесь
записано человеческое существо; и это я!”»

Одним из тех, на кого все это оказало сильное влияние,
был Фрэнсис Коллинз, бывший директор Национального
института здравоохранения. Это один из влиятельнейших
действующих врачей в сегодняшней медицине. Миллионы
людей видели его по телевизору, где он рассказывал о по-
следних новостях, касающихся пандемии COVID-19.

Я спросил Коллинза, как случилось, что он начал инте-
ресоваться биологией, хотя в университете специализиро-
вался на химии. Он признался, что биология всегда казалась
ему слишком «путаной»: в ней слишком много произволь-
ных названий для животных и растений. Что называется,
ни складу ни ладу, думал он. В химии же он видел поря-
док, дисциплину и закономерность, которые можно изучить
и воспроизвести. Поэтому он преподавал физическую хи-
мию, используя уравнение Шрёдингера, чтобы объяснить
внутренние механизмы работы молекул.

Однако со временем он понял, что занимается чем-то
не тем. Физическая химия к тому моменту была уже вполне
развитой наукой с хорошо известными принципами и кон-
цепциями.

Тогда было решено вновь взглянуть на биологию. Ко-
нечно, в биологии ученые давали странные греческие имена
неведомым жучкам и зверям, но область биотехнологий пере-
живала взрывной рост и буквально искрила новыми идеями
и свежими концепциями. Это была девственная, не нанесен-
ная на карты территория, рай для первооткрывателей.

Коллинз посоветовался с коллегами, в том числе с Уол-
тером Гилбертом, и тот рассказал, как переключился в свое
время с физики элементарных частиц на секвенирование
ДНК. Он поддержал желание Коллинза поступить так же.
Таким образом, Коллинз сделал решительный шаг
и не пожалел об этом. Он вспоминал: «Я тогда понял:
"Боже мой, вот где сейчас наблюдается настоящий золо-
той век”. Мне не давало покоя, что я буду учить термодина-
мике кучку студентов, ненавидящих этот предмет. А то, что
происходило в биологии, напоминало квантовую механику
в 1920-е гг. ...Ия принял окончательное решение».

Очень быстро Коллинз сделал себе имя в новой области.
В1989 г. он открыл генную мутацию, ответственную за муко-
висцидоз. Он обнаружил, что это заболевание вызывается
исчезновением из ДНК человека всего трех пар оснований
(АТТ вместо АТСТТТ).

Со временем он стал главным медиком США. При этом
он привнес в Вашингтон свой собственный стиль. Ездил
на работу на мотоцикле. Никогда не стеснялся своих рели-
гиозных пристрастий. И даже написал бестселлер «Доказа-
тельство Бога. Аргументы ученого».

Три этапа развития биотехнологий

Гилберт и Коллинз в каком-то смысле представляют опре-
деленные этапы развития этой области науки.

1	этап. Картирование генома

На первом этапе Уолтер Гилберт и другие ученые смогли
полностью реализовать проект «Геном человека» — одно
из важнейших научных начинаний в истории. Однако ка-
талог человеческого генома похож на словарь, в который
внесено 20000 слов, но ни одно из этих слов не имеет
определения. Сам по себе этот каталог — очень серьезное,
но, в общем-то, бесполезное достижение.
2	этап. Определение функции генов

На втором этапе Фрэнсис Коллинз и другие ученые попы-
тались снабдить эти гены в каталоге определениями. Се-
квенируя болезни, ткани, органы и т.п., можно в резуль-
тате кропотливой работы постепенно собрать информацию
о том, как функционируют соответствующие гены. Это му-
чительно медленный процесс, но со временем записей ста-
новится все больше, словарь заполняется.

3	этап. Модифицирование и улучшение генома

Но теперь мы постепенно переходим к третьему этапу, когда
научимся пользоваться этим словарем и сможем сами стать
писателями. Это означает использование квантовых ком-
пьютеров для расшифровки работы генов на молекулярном
уровне, чтобы можно было разрабатывать новые методы
лечения и создавать новые инструменты для борьбы с не-
излечимыми сегодня болезнями. Как только мы поймем,
каким образом они наносят свой вред на молекулярном
уровне, мы, вероятно, получим возможность использовать
эти знания для разработки новых методов нейтрализации
или лечения этих болезней.

Парадокс жизни

Пытаясь отыскать истоки жизни, мы по-прежнему сталки-
ваемся с невероятным парадоксом. Как могли случайные
химические события породить такие сложные молекулы
жизни, да еще за столь короткий период времени?

Геологи считают, что возраст Земли составляет 4,6 млрд
лет. На протяжении почти миллиарда лет наша планета
была расплавленной и слишком горячей, чтобы на ней
могла существовать жизнь. Из-за неоднократных столкно-
вений с астероидами и вулканических извержений древ-
ние океаны, вероятно, не раз выкипали, что делало жизнь
невозможной. Но в период, обозначенный как 3,8 млрд лет
назад, Земля постепенно остыла в достаточной степени,
чтобы сформировались постоянные океаны. Поскольку счи-
тается, что ДНК появилась около 3,7 млрд лет назад, получа-
ется, что всего за пару сотен миллионов лет на совершенно
пустом месте вдруг появилась ДНК вместе с химическими
процессами, которые позволяют ей использовать энергию
и воспроизводить себя.

Некоторые ученые говорят, что считают это невоз-
можным. Фред Хойл — один из великих пионеров кос-
мологии — считал, что если учесть, насколько быстро,
судя по всему, появилась ДНК, то получится, что времени
на формирование жизни на Земле было попросту недоста-
точно, поэтому жизнь, должно быть, пришла на нашу пла-
нету извне. Известно, что аминокислоты можно обнару-
жить в камнях и газовых облаках в глубинах космоса, так
что вполне возможно, что жизнь первоначально возникла
где-то в другом месте.

Эта концепция известна как теория панспермии, и но-
вые данные, появившиеся не так давно, заново разжигают
к ней интерес. При исследовании минерального содержания
метеоритов и оказавшихся внутри них крохотных пузырь-
ков воздуха обнаруживается точное совпадение с камнями,
найденными на Марсе американскими космическими зон-
дами. Из 6о ооо известных на данный момент метеоритов
по крайней мере 125 достоверно идентифицированы как
имеющие марсианское происхождение.

К примеру, метеорит ALH 84001 упал на Южном полюсе
13 ооо лет назад. Вероятно, он был выбит в космос ударом
какого-то другого метеорита 16 млн лет назад и носился
в пространстве, пока не упал наконец на Землю. Микро-
скопический анализ внутренностей этого метеорита позво-
ляет выявить признаки каких-то червеобразных структур.
(Споры о том, являются ли эти структуры древними ока-
меневшими многоклеточными существами или это есте-
ственно возникающее явление, продолжаются и сегодня.)
Если камни могут путешествовать с Марса на Землю, то по-
чему ДНК не может?

В настоящее время считается, что между Марсом, Ве-
нерой, Луной и Землей, где случались достаточно силь-
ные удары метеоритов, способные отправить камни в кос-
мос, чтобы впоследствии они приземлились где-нибудь
на другой планете, носится множество метеорных тел. Не-
возможно исключить вероятность того, что ДНК действи-
тельно прибыла к нам откуда-то извне.

Однако существует и иное объяснение этой загадки.

Как мы уже видели, квантовая теория вводит в рассмо-
трение несколько различных механизмов, в значительной
мере ускоряющих химический процесс. В методе интегри-
рования по траекториям, который мы обсуждали ранее,
производится суммирование по всем возможным вариан-
там реализации химической реакции, включая даже самые
маловероятные. Варианты, прямо запрещенные обычными
ньютоновскими правилами, могут оказаться возможными
в рамках квантовой механики. Некоторые из них спо-
собны привести к возникновению сложных молекулярных
структур.

Нам также известно, что ферменты обычно ускоряют
химические процессы. Они могут поспособствовать сбли-
жению химических веществ, так что они получают воз-
можность быстро прореагировать, а затем снизить энерге-
тический порог, чтобы им было легче туннелировать сквозь
энергетический барьер. Это означает, что даже весьма ма-
ловероятные химические реакции становятся реальными.
В рамках квантовой теории могут осуществляться даже ре-
акции, нарушающие на первый взгляд закон сохранения
энергии.

Так что, иными словами, именно квантовая механика
может быть причиной того, что жизнь на планете Земля
возникла так рано. Есть надежда, что с появлением кван-
товых компьютеров многие пробелы в наших представле-
ниях о жизни будут заполнены.

Вычислительная химия
и квантовая биология

Стремительный прогресс в области квантовых компьюте-
ров рождает новые науки, уже получившие названия вы-
числительной химии и квантовой биологии. Квантовые
компьютеры наконец-то дают ученым возможность созда-
вать реалистические модели молекул и наблюдать — атом
за атомом, наносекунда за наносекундой, — как протекают
химические реакции.

Представьте, к примеру, что вы готовите что-то по ре-
цепту из кулинарной книги. Это удобно — нужно просто
следовать инструкциям, шаг за шагом, но при этом вы пред-
ставления не имеете, как взаимодействуют вкусы и ингре-
диенты и как все вместе они образуют будущее блюдо. Если
вы отклоняетесь от рецепта, вам остается только догады-
ваться, как все получится, или выяснять это методом проб
и ошибок. Этот процесс занимает много времени и часто
заводит в тупик. Но химические исследования сегодня в ос-
новном проводятся именно так.

Теперь представьте, что вы могли бы проанализиро-
вать все ингредиенты блюда на молекулярном уровне. То-
гда, в принципе, можно было бы создавать новые рецепты
вкусных блюд на чисто теоретической основе, зная, как
все молекулы взаимодействуют друг с другом. В этом и за-
ключается наша надежда на квантовые компьютеры: мы
надеемся в будущем досконально разобраться во взаимо-
действии генов, белков и химических веществ на молеку-
лярном уровне.

Исследователь Жаннетт Гарсия из IBM утверждает: «Уве-
личиваясь, молекулы очень быстро выходят за рамки того,
что можно смоделировать при помощи классических ком-
пьютеров»2.

Кроме того, Гарсия заявляет, что «точно предсказать
поведение даже простых молекул не под силу даже самым
мощным компьютерам. Именно здесь квантовые вычисле-
ния могут предложить нам значительный прогресс в бли-
жайшие годы»3. Она указывает, что цифровые компьютеры
способны надежно рассчитать поведение всего лишь пары
электронов. Дальше расчет перегружает любой классиче-
ский компьютер, если радикально не упростить модель,
не сделать ее намного менее точной.

Она добавляет: «В настоящий момент квантовые ком-
пьютеры подошли к тому, чтобы начать моделировать энер-
гетику и свойства маленьких молекул, таких как водоро-
дистый литий, предлагая возможность создавать модели,
которые откроют нам более ясные пути к открытию, чем
мы имеем сейчас».

Линхуа Чжу из Вирджинского политехнического инсти-
тута заявляет: «Атомы имеют квантовую природу, компью-
тер тоже квантовый, мы используем квантовую систему для
моделирования квантовой системы. Когда мы пользуемся
классическими методами, мы всегда применяем аппрокси-
мации, но с квантовым компьютером можно точно знать,
как каждый из атомов взаимодействует с остальными»4.

Представьте, к примеру, художника, который пытается
нарисовать копию «Моны Лизы». Если не дать такому ху-
дожнику ничего, кроме зубочисток, то и результатом будет
всего лишь грубый силуэт, выложенный из палочек. Прямые
линии не могут передать сложность человеческих форм.
Но если дать художнику тонкое перо и тушь разных оттен-
ков, он сможет провести множество кривых, из которых
получится достаточно похожая копия знаменитой картины.
Иными словами, для изображения кривых линий нужны
кривые линии. Точно так же только квантовый компьютер
способен отразить сложность квантовых систем, таких как
химические вещества и строительные кирпичики жизни.

Чтобы посмотреть, как это работает, вернемся к вол-
новому уравнению Шрёдингера, которое упоминалось
в главе 3. Вспомним, что мы ввели некую величину, обо-
значив ее Н (гамильтониан), которая представляет полную
энергию исследуемой системы. Это означает, что для боль-
ших молекул эта величина представляет собой сумму боль-
шого числа членов, таких как:

•	кинетическая энергия каждого электрона и ядра,

•	электростатическая энергия каждой частицы,

•	взаимодействие между всеми различными части-
цами,

•	спин-эффекты.

Если мы изучаем простейшую возможную систему —
атом водорода, состоящий всего из одного протона и од-
ного электрона, то это уравнение может быть решено точно
в любом курсе физики первого года аспирантуры. Для вы-
вода практически достаточно будет дифференциального
исчисления за третий курс. Тем не менее для такой про-
стой системы мы получаем настоящую золотую жилу ре-
зультатов, таких как полный набор энергетических уровней
атома водорода.

Но если у нас имеется хотя бы два электрона, пред-
ставляющих атом гелия, все очень быстро усложняется,
поскольку при этом между электронами возникают запу-
танные взаимодействия. Для трех или более электронов
все стремительно выходит из-под контроля, если говорить
об использовании цифровых компьютеров. Поэтому прихо-
дится многое брать приближенно, чтобы получить сколько-
нибудь точные результаты. Квантовые компьютеры могут
оказаться полезными в этом отношении.

Приведем пример. В 2020 г. было объявлено, что ком-
пьютер Sycamore компании Google установил новый ре-
корд: удалось с его помощью точно смоделировать цепочку
из 12 атомов водорода, использовав для этого 12 кубитов.

«Это результат, который нас очень порадовал, поскольку
это больше чем удваивает число кубитов и число электро-
нов в сравнении с любой из предыдущих попыток кван-
тового моделирования химии, но при том же уровне точ-
ности»5, — говорит Райан Бэббуш, входивший в состав
команды, которая установила новый рекорд.

При помощи квантового компьютера удалось также
смоделировать химическую реакцию с участием водорода
и азота, в которой атомы водорода занимают разные по-
зиции около атома азота. Бэббуш добавляет: «Это показы-
вает, что на самом деле данное устройство представляет
собой полностью программируемый цифровой квантовый
компьютер, который можно использовать для выполнения
любого предлагаемого вами задания».

В конце концов Гарсия делает вывод: «Компьютеры, по-
строенные на классических принципах, попросту не в со-
стоянии справиться с уровнем сложности таких обычных
веществ, как кофеин». Для нее будущее связано с квантом.

Но эти первоначальные достижения лишь разожгли ап-
петит ученых, занятых квантовой физикой. Они готовы
энергично взяться за куда более амбициозные проекты,
такие как фотосинтез, который служит основой жизни
на Земле. Секрет того, как взять солнечный свет и получить
настоящее богатство в виде фруктов и овощей, которые мы
видим вокруг, когда-нибудь, возможно, удастся разгадать
при помощи квантовых компьютеров. Так что следующей
целью может стать фотосинтез — один из важнейших кван-
товых процессов на планете.
ГЛАВА 7

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 купа-
ются 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 бо-
лее з млрд лет, процесса, который буквально делает слож-
ную жизнь на Земле возможной. Движущей силой жизни
на нашей планете служит фотосинтез, обманчиво простой
процесс, посредством которого растения превращают дву-
окись углерода, солнечный свет и воду в глюкозу и кисло-
род. Понимание того факта, что фотосинтез создает 15 ооо т
биомассы в секунду, потрясает, — а ведь именно биомасса
отвечает за то, чтобы Земля была покрыта зеленой расти-
тельностью.

Невозможно представить себе жизнь без фотосинтеза,
но, что интересно, при всех наших научных успехах био-
логи до сих пор не могут точно сказать, как проходит этот
важнейший процесс. Некоторые из них считают, что, по-
скольку захват кванта энергии фотосинтезом проходит
с почти стопроцентной эффективностью, он должен но-
сить квантово-механический характер. (Но если посчи-
тать общую эффективность превращения света в конеч-
ный продукт — топливо и биомассу, — что требует целой
серии сложных шагов и мудреных химических реакций,
то итоговая эффективность упадет до 1%.) Если когда-
нибудь квантовые компьютеры смогут раскрыть секрет
фотосинтеза, у нас появится возможность делать фото-
электрические элементы с почти идеальной эффективно-
стью, 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 су-
ровых условиях. Или, если когда-нибудь мы начнем ко-
лонизацию 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 ра-
стения в целом более эффективными. Мы иногда забываем,
что фотосинтез — это конечный продукт миллиардов лет
совершенно случайных, хаотичных химических процес-
сов, и свои замечательные свойства он обрел благодаря
чистому случаю. Из этого следует, что, как только кванто-
вые компьютеры раскроют секрет фотосинтеза, мы, вполне
возможно, сумеем модифицировать и улучшить процесс
роста растений. Не исключено, что миллиарды лет эволю-
ции растений удастся сжать до нескольких месяцев работы
квантового компьютера.

К примеру, Грэм Флеминг из 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 созда-
ния искусственных систем, обладающих всеми положитель-
ными характеристиками природных систем без всей этой
мороки с заботой о семенах, поддержанием жизни и защи-
той от прожорливых жучков»1.

На протяжении всей истории растения были для нас за-
гадкой. Они, казалось, цвели сами по себе и лишь иногда
нуждались в поливе. С древних времен считалось, что ра-
стения, 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 собствен-
ному 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 стек-
лянную банку вместе с горящей свечой. Он выяснил, что
свеча в банке, если она одна, быстро гаснет, но в присут-
ствии растения продолжает гореть. Дело в том, что расте-
ние поглощает из воздуха углекислый газ и выделяет кис-
лород 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 бук-
вально сформировал атмосферу нашей планеты. После об-
разования 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 угле-
кислый газ в кислород, которым мы теперь дышим. Так что
каждый вдох напоминает мне об этом судьбоносном пере-
ходе, случившемся миллиарды лет назад.

К 1950-м гг. ученые составили из кусочков так называе-
мый цикл Кальвина — цепочку сложных химических про-
цессов, посредством которых углекислый газ и вода превра-
щаются в углеводороды. При помощи различных методов,
включая анализ содержания углерода-14, они смогли от-
следить движение конкретных химических веществ вну-
три 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 начина-
ется с захвата энергии солнечного света? Это остается за-
гадкой до сих пор. Но квантовые компьютеры, возможно,
помогут ее разгадать.

Квантовая механика фотосинтеза

Многие ученые убеждены, что фотосинтез — это кванто-
вый процесс. Начинается он, когда фотоны — дискретные
порции света — падают на лист, в котором содержится хло-
рофилл. Эта особая молекула поглощает красный и синий
свет, но не зеленый, который отражается и рассеивается
в окружающей среде. Следовательно, зеленый цвет расте-
ний объясняется тем фактом, что зеленый свет они не по-
глощают. (Если бы природа создала растения, поглощаю-
щие 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 волшеб-
ство. Фотон света попадает в хлорофилл, и это порождает
на листе энергетические колебания, называемые эксито-
нами, которые каким-то образом передвигаются по поверх-
ности листа. В конечном итоге эти возбуждения попадают
в так называемый центр сбора на поверхности листа, где
энергия экситона используется для превращения углекис-
лого газа в кислород.

Согласно второму закону термодинамики, когда энер-
гия преобразуется из одной формы в другую, значительная
часть этой энергии улетучивается в окружающую среду и те-
ряется. Поэтому можно ожидать, что значительная часть
энергии фотона тоже должна рассеиваться при столкнове-
нии 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, кото-
рые 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 турни-
ром по гольфу, в ходе которого все участники отправляют
свои мячи случайным образом во всех направлениях. За-
тем как по волшебству все эти мячи почему-то меняют на-
правление 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 ста-
новится возможным благодаря интегралам по траектории,
которые, как мы видели ранее, ввел Ричард Фейнман. Вспо-
мним, что Фейнман переписал законы квантовой теории
в терминах траекторий. Когда электрон движется из од-
ной точки в другую, он каким-то образом разнюхивает
все возможные траектории между этими двумя точками.
Затем рассчитывает вероятность каждого маршрута. Сле-
довательно, 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 фотосин-
теза 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 ми-
нимизировать эти хаотические движения, а растения пре-
красно функционируют при комнатной температуре. Как
это возможно?

Искусственный фотосинтез

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

В 2007 г- Грэм Флеминг сообщил, что ему удалось наблю-
дать это трудноуловимое явление. Он смог объявить об от-
крытии когерентности в фотосинтезе потому, что пользо-
вался особым сверхбыстрым многомерным спектроскопом,
способным генерировать световые импульсы длительно-
стью в фемтосекунду (одну миллионную от одной мил-
лиардной доли секунды). Такие исключительно быстрые
лазеры были ему нужны для того, чтобы успеть зареги-
стрировать когерентные световые лучи прежде, чем случай-
ные столкновения с окружающей средой нарушат когерент-
ность. С точки зрения лазера, атомы окружающей среды
практически застыли во времени, так что их можно было
в значительной мере проигнорировать. Флеминг сумел по-
казать, что световые волны способны существовать в двух
и более квантовых состояниях одновременно. Это озна-
чало, что свет может использовать множественные марш-
руты 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 возмож-
ных траекторий. Для этого нужно, чтобы все возможные
состояния движущейся частицы сложились в единое, ко-
герентное квантовое состояние за десятые доли фемто-
секунды»2.

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

Квантовые компьютеры идеально проводят эти кванто-
вые расчеты. При таком подходе принципиальную роль иг-
рают 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 непо-
мерно много времени, мы можем проводить эти экспери-
менты виртуально.
Например, появляется возможность научиться выращи-
вать сорта растений, которые более эффективны или дают
больше фруктов и овощей, и таким образом увеличить про-
дуктивность фермерских хозяйств.

Кроме того, рацион человека в решающей степени за-
висит 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 беспомощ-
ными, если бы с производством хотя бы одного из базо-
вых продуктов нашего рациона вдруг возникли серьезные
проблемы.

В настоящее время ученые сосредоточены на создании
«искусственного листа» с искусственным фотосинтезом, ко-
торый серьезно снизил бы нашу зависимость от этого важ-
ного природного процесса.

Искусственный лист

Когда мы говорим о крупнейших мировых проблемах,
одним из главных злодеев обычно оказывается углекис-
лый газ. СО2 поглощает поступающую от солнца энергию
и вызывает разогрев Земли. Но что, если бы мы могли пе-
реработать весь этот парниковый газ так, чтобы он стал
безвредным? Тогда, возможно, мы сумели бы получить
из переработанного СО2 коммерчески ценные химические
вещества. Ученые предполагают, что солнечный свет спо-
собен делать именно это. Новая технология брала бы СО2
из воздуха и в сочетании с солнечным светом и водой по-
лучала бы из него топливо и другие ценные химикаты —
примерно как в листе, но искусственным методом. Тогда
при сжигании этого топлива будет вновь выделяться СО2,
из которого при соединении с солнечным светом и водой
будет производиться новое топливо. Это будет беспрерыв-
ный круговой процесс переработки без суммарного выхода
СО2. Таким образом, углекислый газ, который уже заклей-
мили как главного злодея, станет полезным ресурсом.

Чтобы такой цикл работал, он должен будет протекать
в два этапа.

Сначала при помощи солнечного света вода будет раз-
лагаться на водород и кислород. Полученный водород затем
можно использовать в топливных элементах экологически
чистых водородных автомобилей. У электромобилей есть
серьезная проблема — в них используются аккумулятор-
ные батареи, которые, в свою очередь, получают энергию
в основном с электростанций, работающих на угле и нефти.
Сами по себе аккумуляторы работают чисто, но электри-
чество они получают с загрязняющих природу нефтяных
электростанций. Так что в настоящее время у пользования
электрическими батареями есть скрытая цена. А вот в топ-
ливных элементах сгорают водород и кислород, а в качестве
отходов на выходе получается вода. Так что топливные эле-
менты работают по-настоящему чисто, для них не нужны
нефтяные и угольные станции. Однако промышленная ин-
фраструктура, основанная на топливных элементах, развита
значительно слабее, чем на аккумуляторах.

Затем водород, полученный расщеплением воды, можно
будет соединить с СО2 для получения топлива и ценных уг-
леводородов. Топливо, в свою очередь, можно будет сжечь,
но выделяемый при этом СО2 может быть вновь рекомби-
нирован с водородом и, следовательно, переработан. Это
может создать еще один цикл, в котором СО2 будет не-
прерывно использоваться, чтобы он не накапливался в ат-
мосфере; мы получим возможность стабилизировать ко-
личество этого парникового газа, одновременно получая
энергию.
«Наша цель замкнуть углеродный топливный цикл, —
говорит Гарри Этуотер, директор Объединенного центра
искусственного фотосинтеза (JCAP), подразделения Ми-
нистерства энергетики США, финансирующего исследова-
ния по искусственному фотосинтезу. — Это дерзкая кон-
цепция»3.

Если успех будет достигнут, изменится парадигма
борьбы против глобального потепления. Углекислый газ ста-
нет всего лишь одним из винтиков огромного механизма,
обеспечивающего жизнедеятельность общества. Кванто-
вые компьютеры могли бы сыграть в разработке углерод-
ного цикла решающую роль. В журнале Forbes вышла статья
квантового исследователя Али Эль-Каафарани, в которой
он пишет: «Возможно, квантовые компьютеры смогут при-
близить открытие новых катализаторов СО2, способных
обеспечить эффективную переработку двуокиси углерода
одновременно с производством полезных газов, таких как
водород и моноокись углерода»4.

Хотя это все покажется кому-то несбыточной мечтой,
первое открытие в этой области было сделано в 1972 г., когда
Акира Фудзисима и Кенити Хонда продемонстрировали, что
свет можно использовать для расщепления воды на водо-
род и кислород, если один электрод изготовить из двуокиси
титана, а второй — из платины. Эффективность процесса
составила всего 0,1%, но это стало доказательством прин-
ципиальной возможности создания искусственного листа.

С тех пор химики пытаются изменить этот экспери-
мент так, чтобы снизить стоимость процесса, поскольку пла-
тина — очень дорогой металл. Так, в JCAP ученые смогли
добиться расщепления воды при помощи света с эффек-
тивностью ю%, использовав электрод из полупроводника
и катализаторы из никеля.

Теперь осталось самое трудное: завершить последний
шаг и найти дешевый способ соединения водорода с угле-
кислым газом, чтобы получить топливо. Это трудно, по-
скольку СО2 — удивительно стабильная молекула. Гарвард-
ский химик Дэниел Носера считает, что ему удалось найти
весьма перспективный метод. Он использует бактерию
Ralstonia eutropha, способную соединять водород с СО2 для
создания топлива и биомассы с эффективностью п%. Но-
сера говорит: «Мы реализовали полный цикл искусствен-
ного фотосинтеза, который в 10-100 раз лучше природ-
ного... Теперь это уже не обязательно вопрос химии. Это
даже не вопрос технологии»5. По его мнению, главное уже
сделано. Теперь это уже вопрос экономики, то есть захо-
тят ли представители отраслей и правительство поддержать
переработку СО2 при такой стоимости процесса.

Памела Силвер из Гарварда, работающая над этим про-
ектом, отмечает, что использование микробов для замыка-
ния углеродного цикла может показаться странным на пер-
вый взгляд, но микробы уже задействуют в промышленных
масштабах для ферментации сахара в виноделии.

Тем временем химик из Калифорнийского университета
в Беркли Пэйдун Ян также решил использовать микробы,
измененные методами биоинженерии, но иначе. Он рас-
щепляет воду на водород и кислород при помощи света,
используя крохотные полупроводниковые нанопроволочки,
а затем выращивает на этих нанопроволочках бактерии, ко-
торые создают из водорода различные полезные химиче-
ские вещества, такие как бутанол и природный газ.

Квантовые компьютеры способны поднять эту техноло-
гию на новый уровень. До сих пор прогресса в этой области
ученые добиваются в основном методом проб и ошибок,
который требует проведения сотен экспериментов с весьма
экзотическими веществами. К примеру, использование во-
дорода для превращения СО2 в топливо — сложный моле-
кулярный процесс, требующий переноса множества элек-
тронов и разрыва множества связей. Не исключено, что
квантовые компьютеры смогут воспроизвести эти химиче-
ские алгоритмы на модели и позволят ученым создавать
новые альтернативные квантовые траектории. Так, СО2 —
конечный продукт целой серии реакций окисления. Воз-
можно, квантовые компьютеры сумеют смоделировать спо-
собы так разорвать связи в молекуле СО2, чтобы они могли
заново соединиться уже с водородом для получения топ-
лива.

Если квантовые компьютеры помогут нам сделать по-
следний шаг к созданию искусственного фотосинтеза и ис-
кусственного листа, это приведет, возможно, к возник-
новению совершенно новых отраслей промышленности,
занятых производством эффективных солнечных батарей
нового типа, новых сельскохозяйственных культур и новых
форм фотосинтеза. В ходе этого процесса будет полезно
использовать квантовые компьютеры для поиска способов
переработки СО2, что значительно продвинет наши усилия
по борьбе с изменением климата.

Так что квантовым компьютерам суждено сыграть клю-
чевую роль в обуздании мощи фотосинтеза, преобразую-
щего энергию солнечного света в питательные вещества.
Но, чтобы получить изобилие продовольствия, на следую-
щем этапе нам потребуется удобрение, чтобы питать расте-
ния и помогать им расти. Опять же, квантовые компью-
теры способны сыграть решающую роль в реализации этого
последнего принципиально важного шага, необходимого,
чтобы накормить планету.

По иронии судьбы о человеке, который первым совер-
шил этот шаг и дал возможность накормить миллиарды
людей, — который, по существу, сделал возможной совре-
менную цивилизацию, — иногда говорят не как об одном
из величайших ученых всех времен, но как о военном пре-
ступнике.
ГЛАВА 8

НАКОРМИТЬ ПЛАНЕТУ

В современной истории есть один человек, на счету
которого спасенных жизней людей больше, чем у лю-
бого другого на Земле, но при этом его имя почти
неизвестно широкой публике. Согласно надежным оценкам,
благодаря его открытиям около половины человечества сего-
дня живо, но вы не найдете нигде его биографий или доку-
ментальных фильмов о его заслугах. Немецкий химик Фриц
Габер прикоснулся к жизни каждого человека на нашей пла-
нете. Именно Габер разработал методы производства искус-
ственных удобрений. Половина всего продовольствия, ко-
торое съедает человечество, непосредственно связана с его
исследованиями, однако историки редко отмечают его вклад.

Именно Габер положил начало Зеленой революции, рас-
крыв тайны природы и научив человечество производить
почти в неограниченных количествах удобрения, которые
помогают сегодня накормить планету. Он изменил ход ис-
тории, когда открыл принципиально важный химический
процесс, посредством которого азот для производства удоб-
рений можно извлекать из воздуха. Там, где раньше кре-
стьянам приходилось не покладая рук трудиться на бедных
почвах, чтобы кое-как прокормиться, сегодня на целые ки-
лометры, насколько видит глаз, тянутся зеленые посевы.
Вместо голодающих стран с голыми безжизненными полями
мы видим щедрые фермы, приносящие большие урожаи.
Однако роль Габера в истории попорчена тем фактом,
что его открытие использовалось также для создания опу-
стошительного химического оружия, в том числе высоко-
энергетических взрывчатых веществ и отравляющих газов.
Притом что миллиарды людей на планете обязаны своим
существованием этому человеку, из-за его изобретений —
из-за жуткого опустошения, которое производили его от-
крытия на поле боя, — погибли тысячи людей.

Более того, нам приходится мириться с тем, что процесс
Габера, как назвали разработанный им метод, потребляет
так много энергии, что становится серьезной нагрузкой
на систему электроснабжения, не только усиливая тепловое
загрязнение окружающей среды, но влияя также на изме-
нение климата.

Проблема еще заключается в том, что на протяжении
юо лет никому не удалось усовершенствовать процесс Га-
бера — настолько он сложен на молекулярном уровне. По-
этому остается надеяться, что квантовые компьютеры помогут
отыскать альтернативы или модификации процесса Габера,
чтобы мы могли накормить планету, не поглощая такую про-
рву энергии и не порождая новые экологические проблемы.

Но чтобы оценить новаторскую работу Габера и важ-
ность доработки его открытий при помощи квантовых
компьютеров, сначала следует рассмотреть его громадный
вклад в то, что человечеству удалось избежать печальной
участи, когда-то предсказанной Мальтусом.

Перенаселение и голод

Еще в 1798 г. Томас Роберт Мальтус предсказал, что когда-
нибудь численность рода человеческого может превысить
ту, что планета может прокормить, и это приведет к массо-
вому голоду и гибели людей. С его точки зрения, все жи-
вотные участвуют в вечной борьбе за жизнь, и всякий раз,
когда их численность превышает кормовую продуктивность
мест обитания, наступает массовый голод. Люди в этом
отношении ничем не отличаются от животных. Мы тоже
связаны этим железным законом, согласно которому чело-
вечество процветает лишь до тех пор, пока хватает продо-
вольствия. Но поскольку население может расти экспонен-
циально, тогда как пищевая продуктивность увеличивается
медленно, со временем численность населения становится
чрезмерной, а доступные пищевые ресурсы — недостаточ-
ными. Это означает, что возникнет массовый голод, вспых-
нут народные бунты, а затем и яростные войны, в которых
государства будут сражаться друг с другом за ресурсы.

Уже в XIX в. становилось все более очевидно, что эти
ужасные пророчества вполне могут сбыться. Хотя числен-
ность людей на Земле на протяжении многих тысяч лет
была относительно стабильной и составляла менее одного
миллиона человек, как раз тогда произошел беспрецедент-
ный демографический взрыв. Промышленная революция
и век машин сделали возможным стремительный рост на-
селения.

(Помню, еще в школе я видел наглядную иллюстрацию
на эту тему. Мы взяли чашку Петри, полную питательного
раствора, и поместили в ее центр некоторое количество бак-
терий. На протяжении нескольких дней мы наблюдали, как
бактерии очень быстро размножались; в чашке образова-
лась большая колония, но затем процесс внезапно прекра-
тился. «Почему же бактерии перестали расти?» — спросил
я себя. И тогда я начал понимать, что колония бактерий
быстро росла, потребляя все доступные питательные веще-
ства, и погибла, когда запасы пищи истощились. Именно
так выглядела мальтузианская борьба за жизнь, за пищу
и рост в чашке Петри.)
Сегодня мировые запасы продовольствия сильно зави-
сят от удобрений. Очень важный ингредиент удобрений —
азот, который содержится в белках нашего тела и молекулах
ДНК. По иронии судьбы в воздухе, которым мы дышим,
больше всего именно азота, его там около 8о%. По какой-то
загадочной причине простые бактерии, которые селятся
вдоль корней растений из семейства бобовых (к примеру,
гороха и бобов), способны извлекать азот из воздуха и «за-
креплять» его вместе с углеродом, кислородом и водородом
в молекулах аммиака — важнейшего ингредиента, необхо-
димого для производства удобрений.

Эти бактерии каким-то образом овладели загадочным
химическим процессом. Но, хотя обычные бактерии спо-
собны без труда извлекать азот из воздуха и создавать
на его основе живительные удобрения, химики до сих пор
не в состоянии столь же эффективно воспроизвести дости-
жение матери-природы.

Причина в том, что азот воздуха, который мы вдыхаем,
на самом деле представляет собой молекулу N2, то есть два
атома азота, чрезвычайно плотно сцепленные между собой
тремя ковалентными химическими связями. Эти связи на-
столько прочны, что нормальные химические процессы
не могут их разорвать. Поэтому химики сталкиваются
с весьма серьезной проблемой. С одной стороны, воздух,
которым мы дышим, полон живительного азота, но с дру-
гой стороны, этот химический элемент, без которого удоб-
рения невозможны, находится там в неправильной форме
и потому бесполезен.

Это напоминает общеизвестную ситуацию, когда чело-
век умирает от жажды в океане, полном соленой воды. Ты
до горизонта окружен водой, но для питья нет ни капли.

Мы можем легко увидеть эту проблему, если посмо-
трим на атом Шрёдингера. В атоме азота семь электронов;
два из них заполняют доступные позиции на орбитали 1S
первого энергетического уровня, а остальные пять распо-
лагаются на втором уровне. Чтобы заполнить целиком все
орбитали первых двух уровней, нужно десять электронов.
(Вспомним, что электроны располагаются на орбитах па-
рами и что на первом этаже гостиницы всего одна двухмест-
ная комната, а на втором — четыре комнаты, тоже двух-
местных.) Это означает, что на втором уровне два электрона
располагаются на орбитали 2S, а остальные три расселились
по одному на орбиталях Рх, Ру и Pz. Так что в атоме азота при-
сутствуют три электрона, не имеющих пары. При соедине-
нии со вторым атомом азота это дает нам три пары электро-
нов в совместном владении; при этом у обоих атомов число
электронов достигает десяти — они необходимы для запол-
нения первых двух уровней. Но самое главное, при этом
формируется тройная связь, которая чрезвычайно прочна.

Наука на службе войны и мира

Именно здесь на сцене появляется Фриц Габер. Химия оча-
ровала его еще в детстве, и он часто сам, в одиночестве,
устраивал опыты. Его отец был процветающим торгов-
цем, ввозил в страну промышленные краски и пигменты,
и Фриц иногда помогал отцу на химической фабрике. Он
был частью нового поколения европейских евреев, успеш-
ных в бизнесе и науке, но со временем он принял христиан-
ство. А самое главное, он был националистом и очень хотел
поставить свое знание химии на службу Германии.

Он сосредоточился сразу на нескольких химических
загадках, в частности на том, как включить азот воздуха
в полезные продукты, такие как удобрения, а также взрыв-
чатые вещества. Он понял, что единственный способ разде-
лить атомы азота состоит в том, чтобы подвергнуть их дей-
ствию высокого давления и столь же высокой температуры.
Согласно его теоретическим рассуждениям, азотные связи
можно было разрушить грубой силой. Он вошел в историю,
когда нашел в своей лаборатории нужную волшебную ком-
бинацию давления и температуры. Если нагреть газообраз-
ный азот, извлеченный из атмосферы, до 300 °C и сжать
его до 200-300 атмосфер, можно наконец разорвать моле-
кулу азота и заставить ее вступить в реакцию с водородом,
в результате чего образуется аммиак NH . Впервые в исто-
рии появилась возможность использовать химию для того,
чтобы накормить растущее население Земли.

В 1918 г. Габер получил за свои находки Нобелевскую
премию. Сегодня около половины атомов азота в вашем
теле представляют собой прямое следствие открытия Га-
бера, так что его непреходящее наследие буквально впе-
чатано в ваши молекулы. Население Земли сегодня на-
считывает более 8 млрд человек, и без трудов Габера мы
не могли бы накормить такую массу людей.

Но его процесс настолько энергоемок — ведь азот
в нем нужно сжимать и нагревать до громадного давления
и температуры, — что потребляет 2% всей вырабатывае-
мой в мире энергии.

Габера занимали не только удобрения. Как немецкий
националист, он с энтузиазмом поддерживал германскую
армию во время Первой мировой войны, а энергию, заклю-
ченную в молекуле азота, можно было использовать для
производства не только необходимых для жизни удобре-
ний, но и смертельных взрывчатых веществ. (С этим про-
цессом знакомы даже террористы-любители. Бомба, спо-
собная сравнять с землей целое здание, состоит из обычных
удобрений, пропитанных мазутом.) Таким образом, Габер
использовал еще один побочный продукт своего процесса,
нитраты, чтобы внести вклад в мощную военную машину
Германии; помимо отравляющих веществ, которым су-
ждено было убить множество невинных людей, он создал
мощную химическую взрывчатку.

Так что по иронии судьбы человек, чьи химические зна-
ния увеличили население земного шара, обрек на смерть
тысячи невинных людей. Габер остался в истории также
как отец химического оружия.

Но в его жизни присутствовал и трагический аспект. Его
жена-пацифистка покончила с собой, возможно, из-за несо-
гласия с его исследованиями в области химического оружия
и отравляющих веществ. Несмотря на то что десятки лет он
работал на правительство и германскую армию, в 1930-е гг.
Габер почувствовал, что в стране поднимается волна анти-
семитизма. Хотя сам он давно перешел из иудаизма в хри-
стианскую веру, он уехал из страны, чтобы поискать убе-
жища где-нибудь в другом месте, и умер от болезни в 1934 г.
Во время Второй мировой войны нацистская армия исполь-
зовала «циклон» — отравляющий газ, разработанный Габе-
ром, — для убийства в концентрационных лагерях его же
многочисленных соплеменников.

АТФ: природный аккумулятор

Ученые, которые с нетерпением ждут возможности при-
менить квантовые компьютеры к разработке замены не-
эффективного процесса Габера, понимают, что для этого
необходимо знать, как захват азота реализуется матерью-
природой.

Чтобы разорвать связи в молекуле азота, людям, ис-
пользующим метод Габера, приходится подвергать его дей-
ствию высоких температур и громадного давления извне.
Именно это делает процесс таким неэффективным. Но при-
рода проделывает все то же самое в обычных условиях, без
высокотемпературных печей и компрессоров. Как может
ничтожный горошек спокойно заниматься тем, для чего
обычно требуется огромный химический завод?

В природе базовым источником энергии является моле-
кула под названием АТФ (аденозин трифосфат) — рабочая
лошадка жизни, природный аккумулятор. Всякий раз, ко-
гда вы напрягаете мышцы, делаете вдох или перевариваете
пищу, в качестве топлива для ваших тканей используется
энергия из АТФ. Молекула АТФ настолько элементарна,
что обнаруживается повсеместно, найти ее можно почти
во всех формах жизни. Из этого следует, что появилась она
в процессе эволюции миллиарды лет назад. Без АТФ боль-
шая часть жизни на Земле погибла бы.

Ключ к пониманию секрета молекулы АТФ заключен
в ее структуре. Эта молекула состоит из трех фосфатных
групп, расположенных цепочкой, при этом каждая группа
представляет собой атом фосфора в окружении кислорода
и углерода. Энергию эта молекула хранит в электроне, рас-
положенном в последней фосфатной группе. Когда орга-
низму нужна энергия для выполнения биологических
функций, он использует именно эту энергию, запасенную
в электроне последней группы.

Анализируя процесс фиксации азота в растениях, хи-
мики обнаружили, что для разрушения одной молекулы N2
уходит энергия 12 молекул АТФ. И здесь сразу же видна про-
блема. Обычно атомы просто сталкиваются друг с другом
случайным образом, один за другим. Если же несколько ато-
мов сталкиваются с несколькими другими атомами, то мы
понимаем, что это должно происходить поэтапно, поскольку
атомы сталкиваются друг с другом последовательно, а не все
сразу. Значит, процесс разрушения N2 при помощи АТФ
должен включать в себя множество промежуточных шагов.

В природе на получение энергии от 12 молекул АТФ
при случайных столкновениях могут уйти годы. Очевидно,
это слишком медленный вариант, которого явно не хва-
тило бы, чтобы сделать жизнь возможной. Поэтому нужна
серия «быстрых клавиш», которые позволили бы значи-
тельно ускорить этот процесс.

Не исключено, что квантовые компьютеры помогут ре-
шить эту головоломку. Они разберутся в этом процессе
на молекулярном уровне и, может быть, сумеют улучшить
его или найти альтернативный вариант.

Журнал СВ Insights отмечает: «Если использовать для
поиска наилучших каталитических комбинаций в произ-
водстве аммиака современные суперкомпьютеры, процесс
может растянуться на века. Однако намного эффективнее
было бы использовать для анализа различных комбинаций
катализаторов мощный квантовый компьютер — здесь он
снова применяется для моделирования химических реак-
ций, — и он помог бы нам найти лучший способ производ-
ства аммиака»1.

Катализаторы:
«быстрые клавиши» природы

Ученые убеждены, что ключевые элементы здесь — так
называемые катализаторы, которые можно анализировать
при помощи квантовых компьютеров. Катализатор похож
на стороннего наблюдателя. Он не участвует непосред-
ственно в химическом процессе, но каким-то образом его
присутствие ускоряет реакцию.

Химические реакции, которые мы видим в организме,
обычно протекают довольно медленно, иногда на протяже-
нии длительных периодов времени. Иногда какое-то вол-
шебство ускоряет эти процессы, так что они протекают
за долю секунды. Именно в этот момент в дело вступают
катализаторы. Для процесса азотфиксации тоже имеется
катализатор под названием нитрогеназа. Его задача похожа
на задачу дирижера — координировать многочисленные
шаги, необходимые для соединения 12 молекул АТФ с азо-
том, чтобы разорвать тройную связь. Таким образом, ни-
трогеназа — ключ к запуску Второй зеленой революции.
Но, к несчастью, наши цифровые компьютеры слишком
примитивны, чтобы разгадать все ее секреты. Однако кван-
товый компьютер, возможно, окажется приспособленным
гораздо лучше для этой сложной задачи.

Катализаторы, такие как нитрогеназа, работают в двух
направлениях. С одной стороны, они сводят два реагента
вместе. Катализатор и вещества, участвующие в реакции,
подходят друг к другу, как детали головоломки, что позво-
ляет двум реагентам образовать связь. С другой стороны,
энергия, необходимая для протекания реакции и называе-
мая энергией активации, иногда слишком велика, чтобы ве-
щества могли прореагировать друг с другом, однако катали-
затор снижает энергию активации, так что реакция может
протекать нормально. В этом случае реагенты могут соеди-
ниться и образовать новое химическое вещество, оставив
при этом катализатор нетронутым.

Чтобы понять, как работает катализатор, представьте
себе сваху, которая пытается свести потенциальную пару,
притом что он и она, возможно, живут в разных городах.
В нормальных условиях шансы на чисто случайную встречу
именно этих двух людей чрезвычайно малы, поскольку они
вращаются в разных кругах и живут далеко друг от друга.
Но сваха может связаться с ними обоими и свести их, сильно
увеличив вероятность того, что между ними что-то сладится.
Почти все важные химические процессы в организме про-
текают с участием какого-нибудь посредника-катализатора.

А теперь введем некую квантовую сваху, которая пони-
мает, что иногда приходится подталкивать потенциальную
пару, чтобы между ними образовалась связь. Возможно,
к примеру, что кто-то из них очень замкнут и застенчив
или сильно нервничает. Что-то не позволяет им сделать пер-
вый шаг. Иными словами, прежде чем вступить в какие бы
то ни было отношения, им необходимо преодолеть барьер
активации. Именно этим занимается квантовая сваха —
помогает им сделать первый шаг или преодолеть разде-
ляющий их барьер. Процесс этот называется туннельным
переходом и представляет собой странное свойство кванто-
вой теории, благодаря которому можно, в принципе, про-
ходить сквозь непроницаемые барьеры. Именно за счет
туннельного перехода радиоактивные вещества, такие как
уран, дают излучение, поскольку оно, чтобы выйти во внеш-
ний мир, туннелирует сквозь ядерный барьер. Процесс ра-
диоактивного распада, разогревающий ядро Земли и за-
ставляющий дрейфовать материки, происходит благодаря
туннельному переходу. Так что в следующий раз, когда вы
увидите, как с гигантского вулкана взрывом срывает вер-
шину, вспомните, что перед вами — наглядное проявление
мощи квантового туннельного перехода. Точно так же моле-
кулы АТФ способны волшебным образом «туннелировать»
сквозь энергетический барьер и обеспечивать завершение
химической реакции.

Более того, мы увидим, что почти все ключевые ре-
акции, которые делают жизнь возможной, не обходятся
без катализаторов, да и происхождением самой жизни мы,
надо полагать, обязаны квантовой механике.

Как ни печально, нитрогеназа и процесс азотфиксации
настолько сложны, что их изучение продвигается хотя и ста-
бильно, но медленно. Хотя сегодня у ученых имеется полная
молекулярная диаграмма молекулы нитрогеназы (то есть
известно, как эта молекула выглядит), сама она настолько
сложна, что никто не может точно сказать, как она рабо-
тает. Весь этот процесс так запутан, что цифровой компью-
тер ни за что не сможет разгадать его секреты. Зато здесь,
скорее всего, во всей красе проявят себя квантовые ком-
пьютеры, заполнив все пробелы и разъяснив непонятные
шаги, благодаря которым реакция становится возможной.

Одна из компаний, которые занимаются исследо-
ваниями в рамках этого амбициозного проекта, — это
Microsoft. После успеха таких коммерческих проектов, как
ХЬох, она обратила свое внимание на более рискованные,
но потенциально прибыльные проекты. Microsoft заинте-
ресовалась проектами с неопределенной перспективой, та-
кими как разработка квантовых компьютеров, еще в 2005 г.,
и тогда же основала компанию под названием Station Q
для изучения таких задач, как фиксация азота и кванто-
вые вычисления.

«Я считаю, что мы находимся на переломном этапе
и готовы перейти от теоретических исследований к разра-
ботке, — говорит Тодд Холмдаль, вице-президент корпора-
ции Microsoft по квантовой программе. — Чтобы серьезно
изменить мир, необходимо идти на определенный риск,
и мне кажется, мы сейчас находимся в точке, где у нас есть
возможность это сделать»2.

Ему нравится сравнивать происходящее с изобретением
транзистора. Тогда физики чесали в затылках, пытаясь при-
думать практическое применение своему изобретению. Не-
которые считали, что транзистор просто будет полезен для
связи с кораблями в море. Аналогично создание компанией
Microsoft квантового компьютера, который The New York
Times назвала «научной фантастикой», тоже может впослед-
ствии изменить общество самым неожиданным образом.

Microsoft — одна из тех компаний, которым не терпится
решить проблему азотфиксации. Она уже использует кван-
товые компьютеры первого поколения, пытаясь с их помо-
щью раскрыть тайны этого процесса. Последствия этого бу-
дут огромны — это потенциальный запуск Второй зеленой
революции и возможность кормить стремительно растущее
население Земли с меньшими энергетическими затратами.
Неудача же на этом пути может дать, как мы уже видели,
катастрофические побочные эффекты и привести к бунтам,
голоду и войнам.

Не так давно Microsoft постигла неудача — некоторые
экспериментальные результаты по топологическим куби-
там оказались неверными, но для тех, кто по-настоящему
верит в квантовые компьютеры, это всего лишь неболь-
шая задержка и дополнительный стимул к дальнейшей
работе.

Мало того, генеральный директор Google Сундар Пичаи
недавно заявил, что, по его мнению, квантовые компью-
теры смогут усовершенствовать процесс Габера уже в бли-
жайшее десятилетие3.

Квантовые компьютеры сыграют принципиальную роль
в анализе этого важного химического процесса в несколь-
ких отношениях:

•	Квантовые компьютеры, возможно, помогут про-
лить свет на то, как протекает этот сложный про-
цесс, атом за атомом, решив волновое уравнение
для различных компонент в составе нитрогеназы.
Это поможет разобраться в многочисленных неиз-
вестных на данный момент этапах азотфиксации.

•	Они виртуально проверят различные способы раз-
рушения связей в молекуле N2, помимо грубой силы
и использования катализаторов.

•	Они смоделируют то, что произойдет при замене
различных атомов и белков другими компонентами,
и покажут, можно ли сделать процесс азотфиксации
с другими химикатами более эффективным, менее
энергозатратным и менее вредным для окружающей
среды.
•	На квантовых компьютерах можно будет тестиро-
вать новые катализаторы, чтобы посмотреть, не смо-
гут ли они ускорить процесс.

•	На квантовых компьютерах можно будет тестиро-
вать различные варианты нитрогеназы с разным рас-
положением белковых цепочек, чтобы посмотреть,
нельзя ли улучшить ее каталитические свойства.

Таким образом, если компании Microsoft и другим ком-
паниям удастся разгадать загадку азотфиксации, это серь-
езно повлияет на наше продовольственное снабжение.
Но ученые питают и другие надежды в отношении кванто-
вых компьютеров. Они хотят не просто решить проблему
энергоэффективного производства пищи, они стремятся
понять природу самой энергии. Способны ли квантовые
компьютеры разрешить энергетический кризис?
ГЛАВА 9

НАПОЛНИТЬ МИР ЭНЕРГИЕЙ

По первому впечатлению можно было бы предполо-
жить, что титаны индустрии XX в. — Томас Эди-
сон и Генри Форд — были непримиримыми про-
тивниками. В конце концов, Эдисон неустанно продвигал
электрификацию в промышленности и в обществе. Имея
1093 патента, он произвел настоящую революцию в нашем
образе жизни и внедрил множество изобретений, рабо-
тающих на электричестве, которые мы сегодня восприни-
маем как нечто само собой разумеющееся. Форд же зара-
ботал свои миллионы на автомобиле «Модель Т», который
функционировал на ископаемом топливе. Предпринима-
тель участвовал в создании современной промышленной
инфраструктуры, основанной на нефти. Для него источ-
ником энергии будущего было сжигание нефти и бензина.

В реальности Эдисон и Форд были близкими друзьями.
Мало того, в юности Форд боготворил Эдисона. На протя-
жении многих лет они вместе проводили отпуск и радова-
лись обществу друг друга. Возможно, их сблизило то, что
оба они создали компании мирового класса исключительно
усилием воли.

В свободное время Эдисон и Форд любили поспорить
и даже заключали пари о том, чей источник энергии возь-
мет верх в будущем. Эдисон предпочитал электрический
аккумулятор, Форд верил в бензин. Всякому, кто услы-
шал бы о таком пари, вопрос показался бы совсем неслож-
ным. Конечно, Эдисон должен легко победить. Электри-
ческие аккумуляторы безопасны и работают тихо. Нефть,
напротив, шумна, вредна и даже опасна. Мысль о том, что
через каждые несколько кварталов будут располагаться ав-
тозаправки, казалась абсурдной.

Во многих отношениях критики нефти были правы
целиком и полностью. Выхлопные газы от двигателя вну-
треннего сгорания вызывают респираторные заболевания
и ускоряют глобальное потепление; кроме того, автомобили
на бензине до сих пор остаются шумными.

Но в конечном итоге спор выиграл Форд.

Почему?

С одной стороны, энергия, заключенная в аккумуляторе,
составляет лишь небольшую долю от энергии, заключенной
в галлоне бензина. (Лучшие аккумуляторы могут хранить
энергию в количестве около 200 ватт-часов на килограмм
массы, тогда как в бензине их может содержаться 12000.)

И когда на Ближнем Востоке, в Техасе и в других местах
были открыты громадные нефтяные поля, цены на бензин
резко упали, сделав автомобиль доступным для работаю-
щих американцев.

Люди начали забывать о мечте Эдисона. Электрический
аккумулятор, неэффективный, неуклюжий и слабый, не мог
состязаться с дешевым высокооктановым топливом, пред-
назначенным для жадного до энергии населения.

Поскольку закон Мура при помощи дешевых компьюте-
ров произвел революцию в мировой экономике, нам ино-
гда кажется, что все подчиняется этому закону. Поэтому
тот факт, что энергетическая эффективность аккумулято-
ров за столько десятилетий почти не изменилась, просто
поражает. Мы забываем, что закон Мура применим только
к компьютерным чипам и что химические реакции вроде
тех, что работают в батарейках и аккумуляторах, известны
своей непредсказуемостью. Отыскать новые химические
реакции, которые повысили бы эффективность электриче-
ских батарей, — серьезная задача.

Вместо того чтобы утомительно тестировать сотни раз-
личных химических веществ, проверяя, как они рабо-
тают в составе аккумуляторной батареи, в будущем будет
намного быстрее и дешевле моделировать их поведение
на квантовом компьютере. Подобно тому, как моделиро-
вание может помочь нам распутать загадки фотосинтеза
и природной азотфиксации, «виртуальная химия» однажды
заменит трудоемкий метод проб и ошибок в химических
лабораториях.

Солнечная революция?

Улучшение характеристик электрических аккумуляторов
может иметь громадные экономические последствия. Еще
в 1950-е гг. футурологи заявляли, что когда-нибудь в наши
дома будет поступать энергия от солнца. Обширные поля
солнечных панелей, дополненные мощными ветрогенера-
торами, должны будут улавливать энергию солнца и ветра
и обеспечивать нас дешевой и надежной энергией. Энергия
даром — такова была мечта.

Однако реальность оказалась иной. Стоимость возоб-
новляемой энергии падает уже несколько десятилетий,
но падает мучительно медленно. Наступление эры Солнца
затягивается вопреки нашим ожиданиям.

Проблема отчасти заключается в ограничениях, прису-
щих современным аккумуляторам. Когда солнце не светит,
а ветер не дует, производство энергии из возобновляемых
источников падает до нуля. Слабое звено в цепочке возоб-
новляемой энергии — это ее хранение. Как запастись энер-
гией на дождливый день? Если скорость работы компьюте-
ров растет экспоненциально, поскольку мы систематически
уменьшаем размеры кремниевых чипов, мощность акку-
муляторов растет только тогда, когда мы открываем новые
свойства или даже новые химические составы. Сегодня в ба-
тареях по-прежнему используются химические реакции,
которые были известны еще в прошлом столетии. Если бы
нам удалось создать супераккумулятор с повышенной эф-
фективностью и мощностью, это могло бы существенно
ускорить переход к безуглеродному энергетическому буду-
щему и ослабить глобальное потепление.

История электрической батареи

Оглядываясь назад, мы видим, что история электрической
батареи на протяжении столетий развивалась с черепашьей
скоростью. В древности было хорошо известно, что, если
пройти по ковру, можно, прикоснувшись затем к дверной
ручке, получить электрический разряд. Но это была всего
лишь диковина, пока в 1786 г. не произошло историческое
событие. Физик Луиджи Гальвани случайно потер кусоч-
ком металла отрезанную лапу лягушки и вдруг заметил,
к своему удивлению, что нога животного дернулась сама
по себе.

Это стало судьбоносным открытием, поскольку ученые
теперь могли показать, что электричество способно вы-
зывать движение наших мышц. В одно мгновение ученые
поняли, что не обязательно апеллировать к какой-то зага-
дочной «жизненной силе», чтобы объяснить, как неподвиж-
ные объекты могут становиться подвижными. Электриче-
ство стало ключом к пониманию того, как наше тело может
двигаться без всяких духов. Кроме того, эти исследования
в области электричества вдохновили одного из отважных
коллег Гальвани.

В 1799 г. Алессандро Вольта построил первый аккуму-
лятор и показал, что он в состоянии вызывать химическую
реакцию и воспроизводить этот эффект. Возможность по-
лучить электричество в лаборатории по запросу стала на-
стоящей сенсацией. Новость о том, что эту странную силу
теперь можно получить по желанию, разлетелась очень
быстро.

Но, как ни печально, за 200 с лишним лет электриче-
ская батарея почти не изменилась. Простейшая батарея на-
чинается с двух металлических стержней, или электродов,
помещенных в разные сосуды. В обоих сосудах находится
химическое вещество, называемое электролитом, которое
позволяет протекать химической реакции. Два сосуда со-
единяет трубка, по которой ионы проходят из одного со-
суда в другой.

Благодаря химической реакции в электролите электроны
покидают один электрод, называемый анодом, и переходят
на другой электрод, называемый катодом. Движение элек-
трических зарядов должно быть сбалансированным, по-
этому, пока отрицательно заряженные электроны переходят
с анода на катод, в трубке, соединяющей сосуды с электро-
литом, возникает также движение положительных ионов.
Ток этих зарядов и порождает электричество.

За прошедшие несколько столетий базовая конструкция
батареи не изменилась. Менялся в основном химический
состав отдельных компонент. Химики упрямо и занудно
экспериментировали с различными металлами и электро-
литами, пытаясь максимизировать электрическое напряже-
ние батареи или увеличить ее энергоемкость.

Считалось общепризнанным, что электромобили на
рынке не нужны, поэтому развитие этой технологии при
отсутствии серьезных стимулов шло ни шатко ни валко.
Литиевая революция

В послевоенную эпоху аккумуляторные технологии были
своеобразным научным захолустьем. Прогресс застопо-
рился, поскольку почти никому не были нужны ни элек-
тромобили, ни портативные электронные устройства. Од-
нако тревога по поводу глобального потепления и взрывной
рост рынка электроники дали старт новым исследованиям
в этой области.

Из-за угрозы загрязнения окружающей среды и глобаль-
ного потепления общественность потребовала действий.
Усилилось давление на автомобильную промышленность,
зазвучали требования о переходе на электромобили, —
и изобретатели бросились создавать новые, более мощ-
ные батареи. Постепенно аккумуляторные батареи обретали
конкурентоспособность в сравнении с бензином.

Одним из несомненных успехов стало создание ли-
тийионного аккумулятора, который, образно говоря, взял
рынок штурмом. Такие аккумуляторные батареи сегодня
можно найти почти во всех типах электронных приборов:
в сотовых телефонах, компьютерах и даже в огромных авиа-
лайнерах. Что делает их такими универсальными? То, что
они обладают самой высокой энергоемкостью среди всех
доступных нам батарей и при этом портативны, компактны,
надежны и эффективны. Это конечный продукт десятков
лет исследований и скрупулезного анализа электрических
свойств многочисленных химических веществ.

Такими удобными эти аккумуляторы делает сама при-
рода атома лития. Если взглянуть на периодическую таб-
лицу элементов, то можно увидеть, что литий — самый лег-
кий из всех металлов, а это важно, если нам нужна легкая
батарея для автомобилей и самолетов.

Мы видим также, что вокруг ядра в этом атоме враща-
ется три электрона. Первые два заполняют нижний энер-
гетический уровень атома — оболочку 1S, поэтому третий
электрон на более высокой орбите оказывается связанным
непрочно; его легко удалить и таким образом зарядить ба-
тарею. Это одна из причин, по которым литиевый аккуму-
лятор так легко генерирует электрический ток.

Короче говоря, в литийионном аккумуляторе анод дела-
ется из графита, катод — из оксида лития-кобальта, а элек-
тролитом служит эфир. Литийионный аккумулятор произ-
вел такую революцию, что Нобелевская премия по химии
была присуждена нескольким ученым, занимавшимся его
разработкой и усовершенствованием: это Джон Гуденаф,
Стэнли Уиттингем и Акира Ёсино.

Однако у литийионных батарей есть и нежелательные
свойства. Одно из них состоит в том, что, хотя они харак-
теризуются самой высокой плотностью энергии среди всех
имеющихся на рынке аккумуляторов, их энергоемкость со-
ставляет всего 1% от энергоемкости бензина. Если мы хо-
тим наступления безуглеродной эпохи, нам нужна батарея
с энергоемкостью, хотя бы примерно сопоставимой с энер-
гоемкостью ископаемого топлива.

Что дальше?

Громадный коммерческий успех литийионных аккумулято-
ров, которые сегодня можно найти всюду, привел к тому,
что развернулся лихорадочный поиск путей их замены или
усовершенствования для создания следующего поколения
аккумуляторов. Но здесь инженеров вновь ограничивает
метод проб и ошибок.

Один из вариантов такой замены — литийвоздушная
аккумуляторная батарея. В отличие от остальных батарей,
которые полностью герметизируются, эта батарея открыта
движению воздуха. Кислород воздуха взаимодействует с ли-
тием, высвобождая электроны (и образуя пероксид лития).

Большое преимущество литийвоздушного аккумулятора
в том, что его удельная энергоемкость в десять раз превос-
ходит удельную энергоемкость литийионных аккумулято-
ров, а значит, приближается уже к энергоемкости бензина.
(Это потому, что кислород здесь приходит из воздуха даром
и его не нужно хранить внутри самой батареи.)

Несмотря на громадный скачок в энергоемкости, кото-
рый обещают литийвоздушные аккумуляторы, существует
целый ряд технических проблем, которые не позволяют
этой замечательной батарее работать на практике. В част-
ности, она отличается коротким сроком жизни и способна
работать всего около двух месяцев. Ученые, которые верят
в перспективность этой технологии, убеждены, что боль-
шую часть этих технических проблем можно решить путем
новых экспериментов с десятками различных типов хими-
ческих соединений.

В 2022 г. японский Национальный институт материало-
ведения совместно с инвестиционной компанией SoftBank
объявил о создании нового перспективного литийвоздуш-
ного аккумулятора, обладающего гораздо более высокой
энергоемкостью, чем стандартные литийионные батареи.
Однако подробности до сих пор недоступны, и невозможно
убедиться, что ученым удалось преодолеть все проблемы,
стоящие перед этой многообещающей технологией.

С покупкой электромобиля связан еще один раздража-
ющий фактор — на зарядку батарей требуется значитель-
ное время, от нескольких часов до суток. Поэтому еще одно
направление исследований — SuperBattery, гибридная си-
стема, созданная компанией Skeleton Technologies и Техно-
логическим институтом Карлсруэ в Германии. Предполага-
ется, что эта система будет способна полностью зарядить
электромобиль всего за 15 секунд.
С одной стороны, в ней используется стандартный ли-
тийионный аккумулятор. Инновацией же является то, что
в SuperBattery эта батарея сочетается с конденсатором, по-
зволяющим снизить время зарядки. (Конденсатор может
хранить электрический заряд. В простейшем варианте он
состоит из двух параллельных пластин, одна из которых
заряжена положительно, другая — отрицательно. Боль-
шое преимущество конденсаторов то, что они могут накап-
ливать электрическую энергию, а затем очень быстро ее
высвобождать.) Возможность использовать суперконден-
саторы для обеспечения быстрой зарядки привлекает и дру-
гие фирмы. Компания Tesla недавно приобрела Maxwell
Technologies для разработки этого направления. Так что
эта гибридная технология уже вышла на рынок и могла бы
в будущем значительно повысить удобство электромобилей.

Поскольку потенциальная выгода огромна, над раз-
работкой преемника литийионных аккумуляторных бата-
рей интенсивно работает множество коммерческих групп.
Среди них можно назвать следующие экспериментальные
технологии:

•	NAWA Technologies утверждает, что ее Сверхбы-
стрый графитовый электрод, изготовленный с ис-
пользованием нанотехнологий, в десять раз повысит
мощность батареи и в пять раз увеличит время ее
жизни. Компания заявляет, что пробег электромо-
биля на одной зарядке вырастет до юоо км, а всего
за пять минут можно будет зарядить машину до 8о%
емкости.

•	Ученые Техасского университета утверждают, что
могут удалить из аккумуляторов один из наименее
желательных его компонент — кобальт. Кобальт до-
рого стоит и к тому же токсичен, а они утверждают,
что смогут заменить его марганцем и алюминием.
•	Китайский производитель аккумуляторных бата-
рей SVOLT объявил, что им тоже удалось увеличить
пробег электромобиля на одной зарядке до 8оо км
и продлить срок жизни батареи.

•	Ученые Университета Восточной Финляндии со-
здали литийионный аккумулятор с гибридным ано-
дом, в котором используются кремний и углерод-
ные нанотрубки; разработчики утверждают, что это
улучшает характеристики батареи.

•	Группа ученых Калифорнийского университета в Ри-
версайде тоже занимается кремнием. Они исполь-
зуют базовый литийионный аккумулятор, но заме-
няют графитовый анод кремниевым.

•	Ученые Университета Монаша в Австралии заме-
нили литийионный аккумулятор литийсерным. Они
утверждают, что их батарея способна обеспечивать
работу смартфона в течение пяти суток, а пробег
электромобиля — до юоо км.

•	IBM Research и другие компании ищут возможность
заменить токсичные элементы, такие как кобальт
и никель, и даже сам литийионный аккумулятор
морской водой. IBM утверждает, что батарея на мор-
ской воде должна получиться дешевле и иметь более
высокую энергоемкость.

Пока в литийионный аккумулятор вносятся постепен-
ные усовершенствования, базовая стратегия, предложенная
200 лет назад Вольтой, по-прежнему с нами. Остается на-
деяться, что квантовые компьютеры позволят ученым си-
стематизировать этот процесс, сделают его более дешевым
и эффективным, так что миллионы экспериментов можно
будет проводить виртуально.

Проблема в том, что сложные химические реакции, про-
текающие внутри аккумуляторной батареи, не подчиняются
никакому простому закону вроде ньютоновской механики.
Но квантовые компьютеры, возможно, будут в состоянии
выполнять эту тяжелую работу — моделировать сложные
химические реакции без их реального проведения.

Неудивительно, что автомобильная промышленность
инвестирует в квантовые компьютеры, надеясь выяснить,
нельзя ли сконструировать супераккумулятор при помощи
чистой математики. Сверхэффективная батарея могла бы
ликвидировать главное узкое место, мешающее наступле-
нию Солнечной эры: хранение электричества.

Автопром и квантовые компьютеры

Одна из компаний, которые осознают потенциал квантовых
компьютеров в проведении революционных преобразований
в их отрасли, — это гигант автомобильной промышленно-
сти Daimler, владеющий маркой Mercedes-Benz. Еще в 2015 г.
Daimler запустил у себя проект «Квантово-вычислительная
инициатива», чтобы идти в ногу с передовыми исследова-
ниями в этой стремительно меняющейся области.

Бен Бесер, работающий в их Североамериканской ис-
следовательско-конструкторской группе Mercedes-Benz,
говорит: «Наша деятельность ориентирована на исследо-
вания, мы смотрим, что будет происходить лет через десять-
пятнадцать, но мы хотим понимать основы, когда создается
новая вселенная, — и мы как компания хотим быть ее ча-
стью»1. Daimler видит в квантовых вычислениях не просто
научную диковинку, но и часть своего фундамента.

Редактор онлайн-журнала компании Daimler Хольгер
Мон указывает и на другие преимущества квантовых вычис-
лений, помимо поиска новых конструкций аккумуляторных
батарей. Он пишет: «Это могло бы стать наилучшим спосо-
бом поиска новых, более эффективных технологий, модели-
рования аэродинамических форм для большей топливной
эффективности и более ровного полета или для оптимиза-
ции производственных процессов с учетом множества пере-
менных»2. В 2018 г. Daimler объединил лучших инженеров
для тесного сотрудничества с Google и IBM, чтобы разра-
ботать технологии, необходимые для решения некоторых
из этих досадных проблем. Они уже пишут программы и за-
гружают их в облако, чтобы как следует освоиться с кван-
товыми вычислениями.

К примеру, базовые уравнения аэродинамики хорошо
известны. Но, вместо того чтобы строить дорогостоящие
аэродинамические трубы и проводить в них испытания для
снижения трения воздуха об автомобили, намного дешевле
и удобнее поместить авто в «виртуальную аэродинамиче-
скую трубу», то есть проверить эффективность его конструк-
ции в памяти квантового компьютера. При этом возможен
будет также быстрый анализ полученных данных, что по-
зволит сократить сроки разработки.

Airbus уже использует квантовый компьютер для созда-
ния виртуальной аэродинамической трубы и расчета самых
эффективных по топливу траекторий подъема и снижения
своих самолетов. A Volkswagen применяет эту технологию
для расчета оптимальных маршрутов для автобусов и такси
в перегруженном городе.

BMW с 2018 г. изучает квантовые компьютеры, пытаясь
решить целый ряд задач при помощи новейшего кванто-
вого компьютера компании Honeywell. Среди исследуемых
ими направлений можно назвать следующие:

•	Создание более совершенной аккумуляторной бата-
реи для электромобилей.

•	Определение лучших мест для установки электри-
ческих зарядных станций.
•	Поиск более эффективных способов закупки всего
разнообразия компонент, необходимых для сборки
автомобилей BMW.

•	Улучшение аэродинамических характеристик и по-
вышение безопасности.

В частности, BMW надеется на помощь квантовых ком-
пьютеров в программах оптимизации, то есть в снижении
себестоимости при улучшении эксплуатационных характе-
ристик.

Но квантовые компьютеры будут не просто полезны при
создании новых, более дешевых и мощных аккумуляторных
батарей и автомобилей без ущерба для окружающей среды.
Возможно, со временем квантовые компьютеры освободят
нас от опасности пугающих неизлечимых болезней, пора-
жавших человечество с незапамятных времен. Обратимся
теперь к тому, как квантовые компьютеры могут совершить
революцию в медицине.

Источником вечной молодости вполне может оказаться
не сказочный родник, дарующий вечную жизнь, а кванто-
вый компьютер.
ЧАСТЬ III

КВАНТОВАЯ
МЕДИЦИНА

ГЛАВА 10

КВАНТОВОЕ ЗДОРОВЬЕ

ак долго может прожить человек?

На протяжении большей части истории чело-
вечества средняя ожидаемая продолжительность
жизни людей колебалась где-то между 20 и 30 годами.
Жизнь Homo sapiens часто была коротка и неприглядна.
Люди находились в постоянном страхе перед болезнями
и голодом.

Сюжеты из Библии и других древних текстов полны рас-
сказов о болезнях и повальных смертях. Позже рассказы
наполнились сиротами и злодейками-мачехами, поскольку
родители зачастую жили недостаточно долго, чтобы выра-
стить своих детей.

Как ни печально, лекари на протяжении всей истории
были по большей части всего лишь шарлатанами, которые
с важным видом раздавали страждущим снадобья, нередко
лишь усугублявшие их состояние. Богатые могли позволить
себе частных врачей, которые ревниво охраняли секреты
своих бесполезных снадобий, тогда как бедные умирали
в нищете в грязных переполненных лечебницах. (Все это
саркастически описал французский драматург Мольер в ко-
медии «Лекарь поневоле», в которой бедный крестьянин,
ошибочно принятый за известного врача, успешно обманы-
вает всех, используя длинные и цветистые псевдолатинские
слова и раздавая глупые медицинские советы.)
Однако произошло несколько исторических событий,
которые существенно повысили для нас ожидаемую про-
должительность жизни. Первым таким событием стало
улучшение санитарных условий. Древние города обычно
походили на выгребные ямы, где на каждом шагу можно
было наткнуться на гниющие остатки пищи и человеческие
экскременты. Люди обычно выбрасывали мусор на улицы.
Проезжие дороги древних городов напоминали источаю-
щие вонь полосы препятствий и служили рассадниками
болезней. Но в XIX в. горожане осудили все это безобра-
зие, что привело к созданию системы канализации и улуч-
шению санитарных условий; были ликвидированы десятки
смертельно опасных болезней, которые прежде разносились
с водой, что увеличило ожидаемую продолжительность
жизни сразу лет на пятнадцать-двадцать.

Причиной следующей революции стали кровавые евро-
пейские войны, охватившие в XIX в. весь континент. От ран,
полученных на поле сражения, умирало так много солдат,
что монархи и другие главы государств в конце концов объ-
явили, что авторы методов лечения, которые по-настоя-
щему работают, будут вознаграждаться по-королевски. Вне-
запно честолюбивые врачи, вместо того чтобы привлекать
внимание богатых покровителей бесполезными снадобь-
ями, начали публиковать статьи о методах лечения, спо-
собных действительно помочь пациенту. Стали популярны
медицинские журналы, в которых рассказывалось о до-
стижениях, основанных на экспериментальных данных,
а не только на репутации автора.

Новое умонастроение, охватившее врачей и ученых,
подготовило почву для появления революционных нови-
нок, таких как антибиотики и вакцины, при помощи кото-
рых со временем удалось одолеть целый бестиарий смер-
тельных болезней, что добавило к средней ожидаемой
продолжительности жизни еще лет десять-пятнадцать. Во-
лее качественное питание, хирургия, промышленная рево-
люция и другие факторы также внесли свой вклад в увели-
чение ожидаемой продолжительности жизни.

Так что теперь средняя ожидаемая продолжительность
жизни во многих странах составляет больше 70 лет.

К сожалению, многие прорывы в современной ме-
дицине были совершены по счастливой случайности,
а не в результате тщательного планирования. Поиск
средств против разных болезней никогда не велся систе-
матически, медикам приходилось часто полагаться в ос-
новном на удачу.

Так, в 1928 г. Александр Флеминг случайно заметил, что
частицы хлебной плесени способны уничтожить бактерии,
выращенные в чашке Петри, положив тем самым начало
настоящей революции в здравоохранении. Врачи, пре-
жде беспомощно наблюдавшие, как их пациенты умирают
от самых обычных болезней, теперь могли давать им анти-
биотики, такие как пенициллин, которые впервые в исто-
рии человечества способны были по-настоящему излечить
пациента. Вскоре появились антибиотики против холеры,
столбняка, тифа, туберкулеза и множества других болезней.
Но большая часть этих лекарственных средств была обна-
ружена методом проб и ошибок.

Появление микробов, резистентных
к воздействию лекарств

Антибиотики оказались настолько эффективны и пропи-
сывали их так часто, что теперь микробы стали наносить
ответный удар. Это вопрос далеко не академический, по-
скольку резистентные к лекарствам микробы представ-
ляют собой одну из самых серьезных медицинских про-
блем, стоящих сегодня перед обществом. Смертельные
болезни, которые были в свое время побеждены, такие
как туберкулез, теперь постепенно возвращаются в очень
опасной, неизлечимой форме. Эти «супербактерии» часто
нечувствительны даже к новейшим антибиотикам, а обыч-
ное население оказывается перед ними совершенно беспо-
мощным.

Более того, в связи с ростом численности человечества
и его продвижения в ранее неисследованные и ненаселен-
ные районы мы постоянно сталкиваемся с новыми болез-
нями, к которым не имеем иммунитета. Уже ясно, что су-
ществует огромное количество неизвестных нам болезней,
которые только и ждут возможности наброситься на нас
и заразить человечество.

Некоторые считают, что широкое использование анти-
биотиков в животноводстве дополнительно ускорило эту
тенденцию. Коровы, к примеру, становятся настоящими
рассадниками устойчивых к лекарствам микробов, по-
скольку фермеры иногда злоупотребляют антибиотиками,
пытаясь увеличить производство молока и других продук-
тов.

Если учесть угрозу того, что многие болезни могут вер-
нуться к нам более сильными, чем когда-либо, существует
настоятельная необходимость в новом поколении антибио-
тиков, достаточно дешевых, чтобы оправдать их производ-
ство. Как ни печально, за последние 30 лет новых классов
антибиотиков не появилось, и мы сегодня используем при-
мерно те же антибиотики, какие применяли наши родители.
Одна из проблем поиска новых антибиотиков в том, что
необходимо опробовать тысячи самых разных химических
веществ, чтобы выделить среди них горстку перспективных
лекарств. Разработка нового класса антибиотиков такими
методами обходится в 2-3 млрд долларов.
Как работают антибиотики

При помощи современных технологий ученые постепенно
разобрались в том, как работают некоторые типы анти-
биотиков. Пенициллин и ванкомицин, к примеру, вмеши-
ваются в процесс получения молекулы под названием пеп-
тидогликан, необходимой для формирования и укрепления
клеточной стенки бактерии. Таким образом, из-за этих ле-
карств у бактерий разрушаются оболочки.

Еще один класс лекарственных средств под назва-
нием хинолоны вносит путаницу в химию репродуктив-
ного процесса у бактерий; в результате их ДНК не может
нормально функционировать, и размножение бактерий
прекращается.

Еще один класс, в который входит и тетрациклин, вме-
шивается в способность бактерий синтезировать один
из ключевых белков. А еще один не дает клеткам произ-
водить фолиевую кислоту, что, в свою очередь, нарушает
способность бактерий управлять прохождением различных
химических веществ сквозь клеточную стенку.

Как видите, успехов немало. Почему же возникают про-
блемы?

С одной стороны, на разработку новых антибиотиков
требуется много времени, часто больше десяти лет. Лекар-
ства необходимо тщательно тестировать, чтобы убедиться
в их безопасности, а это очень продолжительный и доро-
гостоящий процесс. В результате после десяти лет тяжкой
работы конечный продукт часто не окупается. Согласно
принятому во многих фармацевтических компаниях кри-
терию продажи должны компенсировать стоимость раз-
работки лекарств.
Роль квантовой медицины

Проблема в том, что, как происходило в случае с разра-
боткой аккумуляторов со времен Вольты, базовая страте-
гия исследований со времен Флеминга почти не менялась.
По существу, мы по-прежнему слепо проверяем всевозмож-
ные вещества на противомикробное действие в чашке Пе-
три. Но при помощи автоматики, роботов и механизиро-
ванных сборочных линий можно подвергнуть воздействию
перспективных лекарств сразу тысячи чашек Петри с раз-
ными типами болезнетворных бактерий, но все это будет
имитацией того самого базового подхода, который приме-
нил Флеминг юо лет назад.

С тех пор наша стратегия выглядит так:

Испытываем перспективное вещество —> проверяем,
убивает ли оно бактерии —> определяем механизм дей-
ствия

Не исключено, что квантовые компьютеры смогут пол-
ностью перевернуть этот процесс и ускорить поиск новых
лекарств, необходимых для спасения людей. Потенци-
ально эти компьютеры достаточно мощны, чтобы когда-
нибудь систематически проложить нам путь к новым спо-
собам борьбы с бактериями. Вместо того чтобы без конца,
десятилетиями возиться с разными химическими веще-
ствами, наугад пробуя их, мы сможем быстро разраба-
тывать новые лекарства прямо в памяти квантового ком-
пьютера.

Это означает обратную стратегию поиска:

Определить механизм действия —► проверить, действи-
тельно ли он убивает бактерии —> испытать перспектив-
ный состав
Если, к примеру, основной механизм, посредством ко-
торого эти антибиотики могут уничтожать болезнетвор-
ные микробы, разгадан на молекулярном уровне, то можно
было бы использовать эту информацию для создания новых
лекарств. Это означает, что начинаете вы с желаемого меха-
низма действия, такого как разрушение клеточной стенки
бактерии, а затем определяете при помощи квантовых ком-
пьютеров, как его реализовать, находя слабые места в кле-
точной стенке бактерии. Затем вы испытываете различные
препараты, способные выполнить эту функцию, и наконец
сосредоточиваетесь на горстке тех, что реально могут рабо-
тать против бактерий.

К примеру, попытка смоделировать молекулу пеницил-
лина при помощи традиционного компьютера сталкивается
с громадными трудностями. Для такой модели потребова-
лось бы ю86 бит компьютерной памяти — намного больше,
чем может позволить себе любой цифровой компьютер.
А вот квантовому компьютеру это вполне по силам. Так
что одной из главных задач квантовых компьютеров может
стать поиск новых лекарств путем анализа их молекуляр-
ного поведения.

Вирусы-убийцы

Аналогично современная наука давно научилась бороться
с вирусами при помощи вакцин, но лишь до определен-
ной степени. Вакцины работают опосредованно; вместо
того чтобы напрямую атаковать вирус, они стимулируют
иммунную систему организма, поэтому прогресс в борьбе
с вирусными заболеваниями движется медленно.

Черная оспа — одна из самых страшных вирусных
инфекций за всю историю, убившая только после 1910 г.
зоо млн человек. Оспа известна с древних времен. Но также
было известно, что если человек переболел оспой и выздо-
ровел, то коросты с его оспенных болячек можно истолочь
в порошок и ввести другому, здоровому человеку через раз-
резы в коже, после чего этот человек будет привит против
данной болезни.

В 1796 г. этот метод был усовершенствован и успешно
применен в Англии. Врач Эдвард Дженнер взял гной у мо-
лочниц, поправившихся после коровьей оспы, которая на-
поминает черную оспу. Затем он ввел этот гной здоровым
людям, у которых развился иммунитет к черной оспе.

С тех пор вакцины используются против большого
числа ранее неизлечимых болезней, таких как полиомие-
лит, гепатит В, корь, менингит, свинка, столбняк, желтая ли-
хорадка и многие другие. Существуют тысячи потенциаль-
ных вакцин, которые могли бы обладать терапевтической
ценностью, но без понимания того, как работает иммунная
система организма на самом фундаментальном уровне, не-
возможно проверить их все.

Вместо того чтобы испытывать каждую вакцину экс-
периментально, можно, в принципе, было бы «проверять»
их на квантовом компьютере. Красота этого метода в том,
что поиск новых вакцин в этом случае проходил бы очень
быстро, дешево и эффективно, без сложных в исполнении,
длительных и дорогостоящих натурных испытаний.

В следующей главе мы посмотрим, как квантовые ком-
пьютеры модифицируют и укрепляют нашу иммунную си-
стему, защищая нас от рака и, возможно, некоторых неиз-
лечимых на сегодняшний день болезней, таких как болезни
Альцгеймера и Паркинсона. Но для начала вот еще один
способ, посредством которого квантовые компьютеры по-
могут нам защититься от следующего глобального панде-
мического вируса.
Пандемия ковида

Мы убеждаемся в возможностях квантовых компьютеров,
когда наблюдаем трагедию пандемии ковида, которая до на-
стоящего момента убила в США около миллиона чело-
век. Это повергло всех нас в шок и вызвало экономические
проблемы во всем мире. Однако квантовые компьютеры
могли бы сформировать для нас систему раннего преду-
преждения, способную распознавать потенциально опас-
ные вирусы еще до того, как из-за них начнется глобаль-
ная пандемия.

Считается, что 6о% всех болезней первоначально прихо-
дит к нам из животного царства. Таким образом, на Земле
существует обширный резервуар новых микроорганиз-
мов — потенциальных возбудителей новых болезней.
И по мере того, как человеческая цивилизация захваты-
вает в процессе экспансии новые, прежде неразвитые об-
ласти, мы сталкиваемся с новыми животными и их забо-
леваниями.

Так, при помощи генетического анализа можно опреде-
лить, что вирус гриппа возникает в основном у птиц. Мно-
гие вирусы гриппа появляются в Азии, где сельские труже-
ники часто занимаются так называемым полифармингом,
при котором человек живет в тесном контакте со свинь-
ями и птицами. Вирус часто зарождается в птицах, свиньи
поедают птичий помет, а люди едят свинину. Так что сви-
ньи служат своеобразным сосудом для смешивания, где
сходится ДНК птиц и свиней и возникают новые вирусы.

Аналогично происхождение вируса СПИД удалось про-
следить до вируса иммунодефицита обезьян (SIV), кото-
рый заражает приматов. Воспользовавшись генетическими
методами, ученые пришли к выводу, что где-то между 1884
и 1924 гг. кто-то в Африке съел мясо больной обезьяны, ДНК
которой затем смешалось с ДНК человека — и получился
ВИЧ, мутированная версия SIV, способная заражать людей.

В Средние века развитие транспорта и более частые
путешествия по миру способствовали распространению та-
ких болезней, как чума. Историки проследили маршруты
древних моряков, их перемещения от порта к порту, раз-
носившие чуму и доставлявшие ее на дальние берега. Срав-
нивая время прибытия кораблей с датами вспышек этой
страшной болезни, можно увидеть, как чума распростра-
нялась по Ближнему Востоку и Азии, перескакивая из од-
ного города в другой. Сегодня у нас есть реактивные само-
леты, способные перенести болезнь через любой континент
за несколько часов.

Так что когда-нибудь — это всего лишь вопрос вре-
мени — мир охватит новая пандемия, которую будут раз-
носить международные авиаперевозки.

Однако, благодаря успехам генетики, в 2020 г. уче-
ные смогли секвенировать генетический материал вируса
COVID-19 всего за несколько недель. Это позволило со-
здать вакцины, способные стимулировать иммунную си-
стему организма для борьбы с этим вирусом. Но это был
всего лишь способ активизировать собственную иммунную
систему организма и научить ее защищаться. Не хватало
другого — отсутствовал способ борьбы с самим смертельно
опасным вирусом.

Система раннего предупреждения

Есть несколько способов, посредством которых квантовые
компьютеры могут помочь нам остановить следующую пан-
демию. В самом минимальном варианте нам нужна система
раннего предупреждения, которая могла бы распознавать
нарождающиеся вирусы в реальном времени. С момента
появления новой версии вируса COVID-19 должно пройти
несколько недель, прежде чем будет поднята тревога и объ-
явлено предупреждение. В этот период вирус может незаме-
ченным проникнуть в человеческую экосистему. Задержка
в несколько недель позволит ему охватить миллионы людей.

Один из способов отслеживания эпидемий состоит
в размещении датчиков в системах канализации по всему
миру. При анализе сточных вод, особенно вокруг густона-
селенных городских районов, вирусы можно легко выявить.
Экспресс-тесты на антигены способны заметить вспышку
вируса примерно через 15 минут. Однако громадное коли-
чество данных, поступающих из миллионов канализацион-
ных систем, способно без труда перегрузить любой цифро-
вой компьютер. Но квантовые компьютеры сильны именно
в этом: они прекрасно умеют анализировать целые массивы
данных в поисках пресловутой иголки в стоге сена. Некото-
рые сообщества в США уже устанавливают сенсоры в своих
канализационных системах для раннего предупреждения
об опасности.

Еще одну систему раннего предупреждения продемон-
стрировала компания Kinsa, которая производит термоме-
тры, подключаемые к интернету. Отслеживая вспышки мас-
совых лихорадочных состояний по стране, можно выявить
важные аномалии. Так, в марте 2020 г. больницы американ-
ского Юга были буквально затоплены странными сообще-
ниями о тысячах людей, страдающих от какого-то нового
вируса. Многие тогда умерли. Больницы были переполнены.

Согласно одной из теорий, событием — суперрасп-
ространителем вируса, подвергнувшим его действию сотни
тысяч ничего не подозревающих людей, стало празднова-
ние Марди Гра в конце февраля 2020 г. в Новом Орлеане.
Конечно, при анализе показаний термометров сразу после
Марди Гра видны внезапные пики температуры пациентов
на юге. Как ни печально, у врачей не было опыта встречи
с новым смертельно опасным вирусом, поэтому прошло
несколько недель, прежде чем врачи обратили внимание
на пандемию. Многие пациенты умерли именно из-за этой
критической задержки с идентификацией вируса, появле-
ние которого застало медицинские службы врасплох.

В будущем, когда появится обширная сеть медицинских
устройств (термометров и других датчиков), подключенных
к интернету, можно будет получить мгновенный темпера-
турный срез происходящего в стране, проанализированный
квантовым компьютером. Простого взгляда на карту США
будет достаточно, чтобы увидеть горячие точки, представ-
ляющие события, которые могут стать новыми суперрас-
пространителями.

Еще один способ создания системы раннего предупре-
ждения предполагает использование социальных сетей, ко-
торые лучше, чем что-либо, отражают пульс происходящего
в стране в реальном времени. Так, алгоритмы будущего
должны быть настроены на поиск в сети необычных со-
общений. Если, к примеру, люди начинают постить такие
вещи, как «Я не могу дышать» или «Я не чувствую запахов»,
то квантовые компьютеры смогут выловить эти аномаль-
ные фразы в общем потоке. Затем работники здравоохра-
нения проверят эти случаи и посмотрят, не вызваны ли они
какой-то заразной болезнью.

Аналогично квантовые компьютеры будут распознавать
вспышки вируса сразу же, как только они случатся. Можно
сконструировать датчики, способные улавливать аэрозоли
вируса в воздухе. В начале эпидемии правительственные
чиновники заверяли, что достаточно находиться на расстоя-
нии 1,5-2 м от других людей, чтобы предотвратить распро-
странение вируса. Передача вируса, утверждали они, про-
исходит в основном через капли, вылетающие при кашле
и чихании.
Сейчас полагают, что это, по всей видимости, была
ошибка. Реальные исследования вируса показывают, что
частицы аэрозоля после чиха, к примеру, способны пере-
носить вирус на 6 м и более. Кроме того, считается, что
один из основных путей переноса вируса — это распыление
слюны, возникающие просто при разговоре. Сидеть рядом
с людьми, которые поют, декламируют или просто громко
говорят в помещении больше 15 минут, — значит ускорять
распространение вируса.

Так что в будущем целая сеть датчиков, размещенных
внутри помещений, позволит обнаруживать в воздухе по-
добные распыления и направлять результаты квантовым
компьютерам, которые, проанализировав этот огромный
массив информации, увидят ранние предупредительные
признаки следующей пандемии.

Расшифровка иммунной системы

Вакцины доказали, что собственная иммунная система ор-
ганизма — мощная защита от инфекционных болезней.
Но ученые очень мало знают о том, как она на самом деле
работает.

Мы до сих пор открываем для себя удивительные факты
об иммунной системе. К примеру, ученые теперь пони-
мают, что многие болезни не нападают непосредственно
на организм. Испанка 1918 г. убила больше народа, чем по-
гибло во время Первой мировой войны. К несчастью, об-
разцы того вируса никто не сохранил, поэтому сегодня его
трудно проанализировать и определить, как он убивал лю-
дей. Но несколько лет назад ученые смогли побывать в Арк-
тике и исследовать тела умерших от вируса испанки, сохра-
нившиеся в вечной мерзлоте.
Обнаружились очень интересные вещи. Оказалось, что
эта болезнь не убивала свои жертвы непосредственно. Она
перевозбуждала иммунную систему организма, которая на-
чинала наводнять тело опасными химическими веществами
в надежде уничтожить вирус. В конечном итоге именно этот
цитокиновый шторм и убивал пациента. Так что главным
убийцей на самом деле оказалась собственная иммунная
система организма, впавшая в буйство.

Аналогичная история была обнаружена и в случае
COVID-19. Когда человека кладут в больницу, его ситуация
поначалу, возможно, не кажется угрожающей. Но на более
поздних этапах болезни, когда на сцену выходит цитокино-
вый шторм, опасные химические вещества, которые навод-
няют тело, в конечном итоге приводят к отказу жизненно
важных органов. Если с этим не бороться, дело часто за-
канчивается смертью.

Не исключено, что в будущем квантовые компьютеры
дадут нам беспрецедентную возможность заглянуть в моле-
кулярную биологию иммунной системы. Тогда, возможно,
мы научимся выключать или приглушать иммунную си-
стему одним из многочисленных способов, чтобы она
не убивала нас в случае серьезной инфекции. Об иммун-
ной системе мы поговорим подробнее в следующей главе.

Вирус «омикрон»

Возможно, квантовые компьютеры также окажутся крити-
чески важными при определении свойств вируса в процессе
его мутации. К примеру, «омикрон» — один из вариантов
COVID-19 — появился где-то в ноябре 2021 г. Его геном был
секвенирован, и сразу же включились тревожные колокола.
В нем было обнаружено 50 мутаций, которые делали его
более заразным и легче передаваемым в сравнении с виру-
сом «дельта». Но ученые бессильны были определить в точ-
ности, насколько опасным должны были сделать вирус эти
мутации. Может быть, они позволят шиповидным белкам
намного быстрее проникать в человеческие клетки и тогда
вирус принесет человечеству много бед? Ученые только
ждали и смотрели, что происходит. В будущем квантовые
компьютеры, возможно, определят уровень летальности ви-
руса посредством анализа мутаций в его шиповидных бел-
ках, — и тогда не придется неделями ждать, держа пальцы
скрещенными.

В принципе, можно предсказать действие этого и дру-
гих вирусов, зная их структуру. Сегодняшние цифровые
компьютеры слишком примитивны, чтобы моделировать,
как «омикрон» атакует организм человека. Но, зная точную
молекулярную структуру вируса, мы, возможно, сумеем при
помощи квантовых компьютеров смоделировать конкрет-
ное действие вируса на организм, чтобы знать заранее, на-
сколько этот вирус опасен и как с ним бороться.

К счастью, на нашей стороне эволюция. Многие древ-
ние болезни, убившие в свое время значительную часть
рода человеческого, такие как вирус испанки 1918 г., ве-
роятно, по-прежнему с нами, но в мутированном виде,
они теперь скорее локальны, нежели глобальны. Согласно
теории эволюции, различные штаммы вируса конкури-
руют между собой. Поэтому всегда существует эволюци-
онное давление, заставляющее вирусы становиться более
заразными, чтобы победить в этом соревновании. Так что
каждое поколение мутировавших вирусов оказывается бо-
лее заразным, чем предыдущее. Но если убивать слишком
много людей, то хозяев для дальнейшего распространения
останется недостаточно. Поэтому существует также эво-
люционное давление, заставляющее вирусы становиться

менее летальными.
Иными словами, чтобы сохранить активность, мно-
гие вирусы мутируют в направлении большей заразности,
но меньшей летальности. Так что нам, возможно, придется
просто научиться жить с вирусом COVID, но в менее ле-
тальной форме.

Будущее

Антибиотики и вакцины — фундамент современной ме-
дицины. Но антибиотики обычно находят методом проб
и ошибок, а вакцины всего лишь стимулируют иммунную
систему на создание антител для борьбы с вирусом. Поэтому
одна из основных целей современной медицины состоит
в поиске новых антибиотиков, и еще одна — в изучении
иммунного ответа организма, который служит первой ли-
нией нашей обороны от вирусов и также от одного из вели-
чайших убийц всех времен — рака. Если загадку, окружаю-
щую работу нашей иммунной системы, можно решить при
помощи квантовых компьютеров, то одновременно с этим
у нас появится и способ борьбы с некоторыми из серьез-
нейших неизлечимых болезней, в том числе с некоторыми
формами рака, болезнями Альцгеймера и Паркинсона и бо-
ковым амиотрофическим склерозом. Эти болезни наносят
вред на молекулярном уровне, и только квантовые компью-
теры способны разобраться в нем и помочь нам в борьбе
с ними. В следующей главе мы посмотрим, как именно
квантовые компьютеры могут снабдить нас новыми сведе-
ниями о нашей иммунной системе, а со временем и уси-

лить ее.
ГЛАВА 11

РЕДАКТИРОВАНИЕ ГЕНОМА
И ЛЕЧЕНИЕ РАКА

В 1971 г. президент США Ричард Никсон с большой
помпой объявил войну раку. Современная меди-
цина, заявил он, должна наконец покончить с этой
напастью.

Но много лет спустя, когда историки оценили прило-
женные тогда усилия, вердикт оказался ясен: рак победил.
Да, было некоторое продвижение в борьбе с ним при по-
мощи хирургических методов, химио- и лучевой терапии,
но количество смертей от рака так и оставалось высоким.
Рак и сегодня второй по числу смертей убийца в США
и не слишком отстает в этом от сердечно-сосудистых забо-
леваний. В 2018 г. он убил 9,5 млн человек по всему миру.

Фундаментальной проблемой для этой борьбы стало то,
что ученые не знали, что такое рак на самом деле. Велись
горячие споры о том, вызывается ли эта пугающая болезнь
каким-то одним фактором или сложным набором самых
разных факторов, таких как рацион питания, загрязнение
окружающей среды, генетика, вирусы, радиация, курение
или просто невезение.

Несколько десятилетий спустя достижения в генетике
и биотехнологии помогли наконец получить ответ на этот
вопрос. На самом фундаментальном уровне рак — это бо-
лезнь генов, но запустить его развитие могут отравленная
среда, радиация и другие факторы — например, простое не-
везение. Более того, рак — вовсе не одна болезнь, а тысячи
всевозможных типов мутаций в генах. Сегодня существуют
целые энциклопедии различных типов рака, заставляющих
здоровые клетки внезапно начать размножаться и в итоге
убить хозяина.

Рак — невероятно многообразная и вездесущая болезнь.
Его находят в мумиях возрастом несколько тысяч лет. Самое
старое медицинское упоминание о нем датируется 3000 г.
до н. э. и найдено в Египте. Рак находят не только у людей.
Он обнаруживается всюду в животном царстве. Рак в опре-
деленном смысле — это плата за существование на Земле
сложных форм жизни.

В высокоорганизованном существе, где в триллионах
клеток в нужной последовательности протекают много-
численные химические реакции, клетки должны время
от времени умирать и заменяться другими, что позво-
ляет организму расти и развиваться. Многие из клеток
младенца должны со временем умереть, проложив путь
клеткам взрослого человека. Это означает, что клетки ге-
нетически запрограммированы на гибель, когда это необ-
ходимо; они приносят себя в жертву ради формирования
новых сложных тканей и органов. Этот процесс называ-
ется апоптоз.

Хотя запрограммированная смерть клеток — часть про-
цесса здорового развития организма, иногда происходят
ошибки, способные случайным образом отключить эти
гены, так что клетка, которая должна была бы погибнуть,
продолжает активно плодиться. Такие клетки не могут пе-
рестать размножаться, и в этом смысле раковые клетки
бессмертны. Собственно, именно поэтому они нас и уби-
вают — они бесконтрольно размножаются и образуют опу-
холи, которые со временем парализуют жизненно важные
функции.
Иными словами, раковые клетки — это обычные клетки,
которые разучились умирать.

Часто формирование рака занимает много лет или даже
десятилетий. К примеру, если ребенком вы сильно обгорели
на солнце, то через несколько десятилетий у вас на этом
самом месте может возникнуть рак кожи. Дело в том, что
рак вызывается не одной мутацией. Проходят годы и де-
сятилетия, прежде чем соберутся вместе несколько мута-
ций, которые затем вместе отключат наконец способность
клетки контролировать размножение.

Но если рак настолько смертелен, то почему эволюция
не избавилась от этих дефектных генов миллионы лет на-
зад посредством естественного отбора? Ответ в том, что
рак, как правило, включается уже после окончания репро-
дуктивного периода, так что эволюционное давление, тре-
бующее устранить эти гены, невелико.

Мы иногда забываем, что инструменты эволюции —
естественный отбор и случай. Поэтому, несмотря на то что
механизмы, делающие жизнь возможной, замечательны
и даже чудесны, они представляют собой побочный ре-
зультат случайных мутаций на протяжении миллиардов
лет проб и ошибок. Следовательно, мы не можем ждать
от своего организма идеальной защиты от смертельных
болезней. А если учесть, насколько огромно число мута-
ций, связанных с раком, то просеять всю эту гору информа-
ции и добраться до фундаментальных причин болезни без
квантовых компьютеров, скорее всего, не получится. Кван-
товые компьютеры идеально приспособлены для борьбы
с болезнью, у которой такое множество сбивающих с толку
проявлений. Со временем они, возможно, создадут для
нас совершенно новое поле боя, на котором мы сможем
противостоять неизлечимым болезням, таким как рак, бо-
лезни Альцгеймера и Паркинсона, боковой амиотрофиче-
ский склероз и другие.
Жидкостная биопсия

Как человек узнает, что у него рак? К сожалению, во мно-
гих случаях это долго остается неизвестным. Признаки рака
иногда бывают смазанными или трудноразличимыми. Так,
к моменту, когда формируется опухоль, в организме могут
присутствовать уже миллиарды растущих раковых клеток.
Если злокачественная опухоль обнаруживается, врач почти
сразу может рекомендовать пациенту хирургическое вме-
шательство, курс лучевой или химиотерапии. Однако ино-
гда бывает уже поздно.

Но что, если бы можно было остановить распростране-
ние рака, распознавая аномальные клетки задолго до фор-
мирования опухоли? В обеспечении подобных методов клю-
чевую роль могут сыграть квантовые компьютеры.

Сегодня при обычном визите к врачу мы сдаем кровь
на анализ и можем на основании результатов получить
справку о здоровье. Тем не менее нередко характерные при-
знаки рака проявляются позже. Поэтому вы можете задать
себе вопрос: почему простой анализ крови не в состоянии
выявить рак?

Дело в том, что наша иммунная система, как правило,
не умеет распознавать раковые клетки. Они как бы невидимы
для радаров. Раковые клетки не чужаки и не пришельцы, кото-
рых иммунная система легко замечает. Это наши собственные
клетки, которые «сошли с ума», поэтому они остаются неза-
меченными. И именно поэтому анализы крови, проверяющие
иммунный ответ, не в состоянии определить присутствие рака.

Однако уже более юо лет известно, что раковые опухоли
сбрасывают клетки и молекулы в биологические жидкости ор-
ганизма. Так, раковые клетки и молекулы можно обнаружить
в крови, в моче, в спинномозговой жидкости и даже в слюне.

К несчастью, такое обнаружение возможно только в том
случае, если в организме уже растут миллиарды раковых
клеток. К этому моменту для удаления опухоли обычно уже
нужна операция. Но недавно генная инженерия дала нам
наконец возможность распознавать раковые клетки, плава-
ющие в нашей крови или в других биологических жидко-
стях нашего тела. Когда-нибудь этот метод, возможно, ста-
нет достаточно чувствительным, чтобы замечать раковые
клетки, даже если их в организме всего несколько сотен;
это даст человеку несколько лет до формирования опухоли
и позволит принять должные меры.

Но лишь в последние несколько лет у обычного чело-
века появилась возможность создать систему раннего пред-
упреждения для рака. Одно из перспективных направле-
ний исследований называется жидкостной биопсией; это
быстрый, удобный и гибкий способ распознавания рака,
который может произвести настоящую революцию в диа-
гностике заболевания.

«В последние годы клиническое развитие жидкостной
биопсии рака — революционного инструмента скрининга —
внушает большой оптимизм»1, — пишут Лиз Кво и Дженна
Аронсон в журнале The American Journal of Managed Care.

В настоящее время жидкостная биопсия способна рас-
познавать до 50 различных типов рака. Со временем, ве-
роятно, в ходе стандартного визита к врачу можно будет
распознавать рак за многие годы до того, как он станет
смертельно опасным.

В будущем даже унитаз у вас дома станет достаточно
чувствительным, чтобы регистрировать признаки раковых
клеток, ферментов и генов, циркулирующих в биологиче-
ских жидкостях организма, так что рак окажется не опас-
нее обычной простуды. Всякий раз при посещении туалета
вас будут незаметно проверять на рак. Возможно, именно
«умный унитаз» станет нашей первой линией обороны.

Хотя рак вызывают тысячи различных мутаций, кванто-
вые компьютеры научатся распознавать их все, чтобы по про-
стому анализу крови определять десятки возможных видов
рака. Не исключено, что наш геном можно будет прочиты-
вать ежедневно или еженедельно и сканировать при помощи
удаленных квантовых компьютеров в поисках признаков вре-
доносных мутаций. Конечно, это не метод лечения рака, та-
кая практика позволит предотвращать распространение рако-
вых клеток, так что эта болезнь станет не слишком опасной.

Многие задают простой вопрос: почему врачи не умеют
лечить обычную простуду? На самом деле умеют. Но по-
скольку существует более 300 риновирусов, способных вы-
звать простуду, к тому же они постоянно мутируют, нет
смысла разрабатывать 300 вакцин, пытаясь поразить эту
подвижную мишень. Мы просто живем с этими вирусами.

Таким же может оказаться и будущее исследований
по раку. Вместо смертельного приговора эта болезнь со вре-
менем будет рассматриваться всего лишь как неприятность.
Поскольку генов рака существует так много, разрабатывать
лекарства против каждой из его разновидностей, вероятно,
бессмысленно. Но если при помощи квантовых компьютеров
мы будем способны обнаружить раковые клетки за несколько
лет до их серьезного распространения, когда это будет всего
лишь небольшая колония из нескольких сотен клеток, то,
наверное, будет реально остановить развитие болезни.

Иными словами, в будущем у всех нас, возможно, и бу-
дет рак, но он вряд ли приведет к смерти пациента.

«Вынюхать» рак

Еще один способ обнаружения рака на ранних стадиях, воз-
можно, заключается в использовании датчиков, регистриру-
ющих слабые запахи, испускаемые раковыми клетками. Мо-
жет быть, когда-нибудь ваш сотовый телефон, снабженный
специальной приставкой для регистрации запахов и под-
ключенный к квантовому компьютеру в облаке, поможет
вам защитить себя не только от рака, но и от целого ряда
других болезней. Чтобы остановить рак, квантовые компью-
теры будут анализировать результаты, получаемые с мил-
лионов «роботизированных носов» по всей стране.

Анализ запаха — надежная диагностическая процедура.
К примеру, в аэропортах для выявления коронавируса ино-
гда используют собак. Если обычный ПЦР-тест на корона-
вирус может занять несколько дней, то специально обучен-
ная собака способна с 96%-ной вероятностью распознать
носителя вируса секунд за десять. Этот метод уже исполь-
зуется для проверки пассажиров в аэропорту Хельсинки
и в других местах.

Собак обучают на распознавание рака легких, груди,
яичников, мочевого пузыря и предстательной железы. Мало
того, собаки определяют рак простаты по запаху мочи па-
циента с 99%-ной точностью. В одном из исследований со-
баки определяли рак груди с точностью 88%, а рак легких —
с точностью 99%.

Дело в том, что у собаки в носу располагается 220 млн за-
паховых рецепторов, тогда как у человека их всего 5 млн. Так
что собачье чутье во много раз чувствительнее и точнее, чем
человеческое. Оно настолько точное, что способно распозна-
вать концентрации до одной триллионной, что эквивалентно
одной капле жидкости на двадцать больших плавательных
бассейнов. А отдел мозга собаки, занятый анализом запа-
хов, намного больше соответствующего отдела у человека.

Однако у этого метода есть и недостаток: дрессировка
собаки на распознавание коронавируса или рака занимает
несколько месяцев, и таких специально обученных собак
всегда не хватает. Нельзя ли проводить эти анализы при
помощи технических средств и в таком масштабе, который
позволил бы спасти миллионы жизней?
Вскоре после и сентября 2001 г. одна телекомпания при-
гласила меня на обед, где обсуждались технологии будущего.
Мне выпала честь сидеть рядом с представителем DARPA
(Агентство перспективных оборонных исследований) — от-
деления Пентагона, известного своими разработками тех-
нологий будущего. На счету DARPA длинный список впе-
чатляющих успешных проектов, таких как NASA, интернет,
автомобиль без водителя и стелс-бомбардировщик.

Так что я задал представителю этой организации во-
прос, который всегда меня беспокоил. Почему мы не мо-
жем разработать датчики, обнаруживающие взрывчатку?
Собаки легко выдают результаты, которые лучшие наши
машины выдать не способны.

Он немного помолчал, а затем неспешно объяснил мне
разницу между собаками и нашими самыми совершенными
сенсорами. На самом деле DARPA в свое время тщательно
изучило этот вопрос и отметило: обонятельные нервы со-
баки настолько чувствительны, что могут заметить при-
сутствие даже отдельных молекул определенных запахов.
Искусственные датчики, разработанные в наших лучших
лабораториях, не в состоянии даже близко подойти к этому
уровню чувствительности.

Через несколько лет после этого разговора DARPA про-
спонсировало специальный конкурс, чтобы посмотреть,
не могут ли лаборатории создать роботизированный нос,
сравнимый с собачьим.

Одним из тех, кто услышал об этом конкурсе, был Ан-
дреас Мершин из Массачусетского технологического инсти-
тута (МТИ). Его всегда завораживала особая способность
собак распознавать целый ряд болезней и недомоганий.
Впервые Мершин заинтересовался этим вопросом, когда
изучал методы диагностики рака мочевого пузыря. Один
пес настойчиво указывал на одного конкретного пациента
как пораженного раком, хотя многочисленные проверки
ничего не показывали. Что-то здесь было не так. Пес сво-
его мнения не менял. В конце концов пациент согласился
на дополнительное обследование — и у него нашли рак мо-
чевого пузыря в очень ранней стадии; по существу, на этом
этапе болезнь невозможно было обнаружить при помощи
стандартных лабораторных тестов.

Мершину захотелось повторить этот поразительный
успех. Его целью стало создание «нано-носа» с микродат-
чиками, способными распознавать рак и другие заболева-
ния, а затем высылать предупреждение на сотовый телефон
пациента. Сегодня ученые МТИ и Университета Джона Хоп-
кинса разработали микродатчики, которые в 200 раз чув-
ствительнее собачьего носа.

Но, поскольку эта технология пока остается эксперимен-
тальной, стоимость анализа одного образца мочи на рак со-
ставляет юоо долларов. Тем не менее Мершин предвидит
тот день, когда эта технология станет столь же обычной,
как камера в вашем смартфоне. Но, учитывая невероятные
объемы данных, которые смогут поступать от сотен мил-
лионов сотовых телефонов и датчиков, только квантовым
компьютерам будет под силу обрабатывать весь этот поток.
Затем в дело вступит искусственный интеллект, который
проанализирует сигналы, выявит маркеры рака и направит
информацию обратно пользователям — возможно, за не-
сколько лет до формирования реальной опухоли.

В будущем, вероятно, у нас появится несколько спосо-
бов без шума и усилий распознать рак, прежде чем он на-
чнет представлять серьезную опасность. Скорее всего, после
жидкостной биопсии и работы датчиков запахов данные
будут передаваться квантовому компьютеру, способному
распознать десятки различных типов рака. Слово «опухоль»
может вообще уйти из обращения в английском языке, при-
мерно так же, как сегодня практически не употребляются

слова «кровопускание» и «пиявки».
Но что происходит, если рак уже сформировался? Мо-
гут ли квантовые компьютеры помочь в лечении этой бо-
лезни, если она уже атакует организм?

Иммунотерапия

В настоящее время существуют по крайней мере три основ-
ных метода борьбы с раком после его обнаружения: хи-
рургическое вмешательство (вырезать опухоль), облучение
(убить раковые клетки рентгеновскими лучами или пуч-
ками частиц) и химиотерапия (отравить раковые клетки).
Но с появлением генной инженерии все более широкое рас-
пространение получает новый метод лечения: иммунотера-
пия. Существует несколько вариантов этого метода, но в це-
лом все они пытаются заручиться помощью собственной
иммунной системы организма.

Уже говорилось, что иммунная система не может, к не-
счастью, легко распознавать раковые клетки. Т- и В-клетки,
к примеру, запрограммированы на поиск, а затем и уни-
чтожение огромного числа чуждых антигенов, но раковые
клетки не входят в библиотеку антигенов, которые спо-
собны определить белые кровяные тельца. Таким образом,
иммунная система нашего организма их не замечает. Фокус
в том, чтобы искусственно подстегнуть иммунную систему
и научить ее узнавать и уничтожать раковые клетки.

В одном из методов геном рака секвенируется, так что
врачи точно знают тип рака, с которым имеют дело, и ха-
рактер его развития. Затем, пока гены рака обрабатыва-
ются, из крови пациента извлекаются белые кровяные
тельца — лейкоциты. Генетическая информация рака вво-
дится в лейкоциты при помощи вируса (предварительно
обезвреженного). Всё, теперь лейкоциты перепрограмми-
рованы на распознавание этих раковых клеток. Наконец,
обработанные таким образом лейкоциты вводятся обратно
в тело пациента.

На данный момент этот метод представляется весьма
перспективным в плане борьбы с неизлечимыми формами
рака, даже на поздних стадиях, когда болезнь уже распро-
странилась по всему организму. Некоторые пациенты, слу-
чай которых был признан безнадежным, вдруг стали сви-
детелями того, как их рак попросту исчез.

Иммунотерапия используется при лечении рака моче-
вого пузыря, мозга, груди, шейки матки, толстой и прямой
кишки, пищевода, почки, печени, легкого, лимфатического
узла, кожи, яичника, поджелудочной и предстательной же-
лезы, кости, желудка, а также лейкемии — с разной степе-
нью успеха.

Но есть и отрицательные стороны. Этот метод доступен
лишь для некоторых типов рака, а их существуют тысячи.
Кроме того, поскольку генетика лейкоцитов изменяется
искусственно, процесс модификации не всегда проходит
идеально. Могут возникнуть нежелательные побочные эф-
фекты, и некоторые из этих побочных эффектов оказыва-
ются фатальными.

Однако квантовые компьютеры с большой вероят-
ностью помогут усовершенствовать этот метод лечения.
Со временем они научатся анализировать массив необрабо-
танных данных и вылавливать в нем генетические характе-
ристики каждой раковой клетки. Классический компьютер
не справится с такой масштабной задачей. Геном каждого
человека в США будет прочитываться, бесшумно и эффек-
тивно, по нескольку раз в месяц посредством анализа его
биологических жидкостей. Весь геном будет секвениро-
ван и на каждого человека составлен каталог из более чем
2оооо генов. Затем его сравнят с тысячами уже изученных
возможных раковых генов. Для анализа такой массы необ-
работанных данных потребуется развитая инфраструктура
квантовых компьютеров. Но и польза от нее будет огром-
ной: победа над давно нам известным ужасающим убийцей.

Парадокс иммунной системы

У иммунной системы есть одна давняя загадка. Чтобы орга-
низм мог уничтожать вторгшиеся антигены, он для начала
должен уметь их распознавать. Поскольку возможных виру-
сов и бактерий существует практически неограниченное ко-
личество, то как иммунная система отличает опасные среди
них от полезных? Откуда она знает разницу, если никогда
прежде не встречалась с данной конкретной болезнью? Это
как если бы полицейские знали, кого нужно арестовать
в толпе людей, но никогда прежде никого из них не видели.

На первый взгляд это кажется невозможным. В прин-
ципе существует бесконечное число различных болезней,
так что совершенно непонятно, как иммунная система умуд-
ряется волшебным образом распознавать нужные.

Но эволюция придумала хитроумный способ решения
этой задачи. К примеру, В-лейкоцит содержит У-образ-
ные рецепторы антигенов, выступающие из его клеточной
стенки. Задача лейкоцита — зацепить кончиками своего
Y-рецептора опасный антиген, чтобы либо уничтожить его,
либо пометить для дальнейшего уничтожения. Именно так
лейкоцит распознает угрожающие антигены.

При рождении лейкоцитов генетические коды на кон-
чиках Y-рецепторов, благодаря которым рецепторы соот-
ветствуют конкретным антигенам, перемешиваются случай-
ным образом. В этом ключ ко всему процессу. В принципе
почти любые коды, с которыми организм может когда-либо
столкнуться, — и хорошие, и зловредные — уже содержатся
в различных случайных Y-рецепторах. (Чтобы оценить, как
из небольшого числа аминокислот может получиться гро-
мадное число генетических кодов, рассмотрим гипотети-
ческий пример. Начнем с того, что в человеческом орга-
низме присутствует 20 различных аминокислот. Скажем,
мы составим цепочку из ю аминокислот, каждая из кото-
рых выбирается из 20 возможных вариантов. Тогда число
возможных вариантов случайного расположения амино-
кислот в цепочке будет 20 х 20 х 20 х ... = 20ю. Сравним
это с реальным числом возможных рецепторов В-клеток,
насчитывающих ю12 различных комбинаций. В это астро-
номическое число входят почти все возможные антигены,
с которыми когда-либо клетка встретится.)

Однако после рандомизации всех Y-рецепторов
те из них, что содержат генетические коды собственных
аминокислот организма, постепенно устраняются. Оста-
ются только те Y-рецепторы, которые содержат генетиче-
ские коды опасных антигенов. Таким образом, Y-рецепторы
могут атаковать опасные антигены даже в тех случаях, когда
прежде организм с ними не встречался.

Это похоже на то, как полицейские пытаются найти
преступников в огромной толпе людей. Первым делом они
убирают из толпы тех, невиновность которых заранее уста-
новлена. Тогда понятно, что преступники могут находиться
среди оставшихся.

Поскольку все мы живем в незримом океане из ты-
сяч миллиардов бактерий и вирусов, эта система работает
на удивление хорошо. Однако иногда наблюдается и эф-
фект бумеранга. Так, при устранении генетических кодов,
которые встречаются в организме, система убирает не все
из них. В этом случае некоторые из хороших кодов остаются
в качестве образцов, и иммунная система начинает их ата-
ковать. Иными словами, если полиция не выведет из толпы
всех априори невиновных, некоторые из них случайно оста-
нутся, и, когда придет время допрашивать подозреваемых,
эти невиновные люди также попадут под подозрение.

Это означает, что организм тогда начнет атаковать сам
себя, порождая целый ряд аутоиммунных заболеваний. Воз-
можно, именно в этом заключаются причины возникнове-
ния ревматоидного артрита, волчанки, диабета I типа, мно-
жественного склероза и т. п.

Иногда происходит и обратное. Иммунная система
не только устраняет из набора образцов хорошие коды,
но случайно прихватывает и часть зловредных. Тогда им-
мунная система оказывается не в состоянии распознавать
некоторые опасные болезнетворные коды.

Именно это, возможно, происходит иногда с некото-
рыми типами рака: организм не может распознать анти-
гены с неправильными генами.

Весь процесс распознавания опасных антигенов носит
чисто квантово-механический характер. Цифровые ком-
пьютеры не способны воспроизвести сложную последова-
тельность событий, которая должна быть разыграна на мо-
лекулярном уровне, чтобы иммунная система сработала
должным образом. Но квантовые компьютеры, возможно,
окажутся достаточно мощными, чтобы разобраться, каким
образом, молекула за молекулой, иммунная система тво-
рит свое волшебство.

CRISPR

Терапевтическое применение квантовых компьютеров мо-
жет расшириться, если их удастся объединить с новой тех-
нологией под названием CRISPR (короткие палиндромные
повторы, регулярно расположенные группами), которая по-
зволяет ученым разрезать гены на части и вставлять в них
нужные куски. Квантовые компьютеры можно будет ис-
пользовать для распознавания сложных генетических забо-
леваний, а технологию CRISPR — для их лечения.

Еще в 1980-е гг. в отношении генной терапии, то есть
починки дефектных генов, наблюдался огромный энтузи-
азм. Существует по крайней мере юооо известных гене-
тических болезней, поражающих человеческий род. Счи-
талось, что наука позволит нам переписывать код жизни,
исправляя ошибки матери-природы. Были даже разговоры
о том, что, возможно, генная терапия позволит также усо-
вершенствовать расу людей, улучшив здоровье и интеллект
на генетическом уровне.

Поначалу большинство исследований было сосредото-
чено на какой-то простой цели — на борьбе с генетиче-
скими заболеваниями, вызванными ошибкой в нескольких
буквах нашего генома. К примеру, серповидноклеточная
анемия (которой подвержены многие афроамериканцы),
муковисцидоз (поражающий преимущественно жителей
Северной Европы) и болезнь Тея — Сакса (поражающая ев-
реев) вызываются ошибкой в одной или нескольких буквах
нашего генома. Была надежда, что врачи смогут лечить эти
болезни, просто переписывая генетический код пациента.

(Из-за перекрестных браков эти генетические заболе-
вания были так распространены в королевских фамилиях
Европы, что, как пишут историки, они повлияли на ход ми-
ровой истории. Король Англии Георг III страдал генетиче-
ским заболеванием, результатом которого стало безумие.
Историки рассуждают о том, что именно его безумие, воз-
можно, привело к Американской революции. Сын импера-
тора России Николая II страдал гемофилией, лечить кото-
рую, как верила царская семья, мог только мистик Распутин.
Это парализовало монархию и затянуло необходимые ре-
формы, что, возможно, внесло свой вклад в Русскую рево-
люцию 1917 года.)
Испытания методов генной инженерии проводились
примерно так же, как методы иммунотерапии. Сначала же-
лаемый ген вставляли в безвредный вирус, модифициро-
ванный таким образом, что он был не в состоянии нападать
на своего носителя. Затем этот вирус вводили пациенту, так
что пациент оказывался «заражен» нужным геном.

К несчастью, вскоре возникли серьезные осложнения.
Так, организм часто распознавал вирус-носитель и начинал
его атаковать, вызывая у пациента нежелательные побоч-
ные эффекты. Многие надежды на генную терапию рухнули
в 1999 г., когда в ходе испытаний погиб пациент. Финанси-
рование резко упало. Исследовательские программы были
свернуты. Испытания были пересмотрены или прекращены.

Однако в последние годы у исследователей произошел
прорыв: они начали подробно изучать, как мать-природа
атакует вирусы. Мы иногда забываем, что вирусы нападают
не только на людей, но и на бактерии. Так что врачи зада-
лись простым вопросом: как бактерии защищаются от атаки
вирусов? К немалому своему удивлению, ученые обнару-
жили, что за миллионы лет бактерии «придумали» способы
разрезать гены вторгшегося вируса. Если какой-то вирус
пытается атаковать бактерию, она может контратаковать,
выпустив вал химических веществ, которые будут расщеп-
лять гены вируса в строго определенных точках, останав-
ливая таким образом инфекцию. Этот мощный механизм
был выделен, а затем и использован для разрезания гене-
тических цепочек вируса в нужных точках. За инновации
по совершенствованию этой революционной технологии
Нобелевскую премию 2020 г. получили Эмманюэль Шар-
пантье и Дженнифер Дудна.

Этот процесс часто сравнивают с редактированием тек-
ста. В прежние времена текст нужно было печатать на пи-
шущей машинке по буквам, последовательно, и в течение
этого утомительного процесса часто возникали ошибки.
Но с внедрением компьютеров появилась возможность на-
писать программу — текстовый процессор, позволяющий
редактировать целые рукописи, удаляя и переставляя в них
куски текста. Аналогично когда-нибудь мы, возможно, на-
учимся применять технологию CRISPR в генной инжене-
рии, в которой за прошедшие годы были и успехи, и не-
удачи. Это открыло бы перед методами генной инженерии
громадные перспективы.

Одной из первых целей для генной терапии мог бы стать
ген р53. При мутации он задействуется примерно в поло-
вине всех самых распространенных типов рака, таких как
рак груди, прямой кишки, печени, легкого и яичников. Воз-
можно, одной из причин такой его уязвимости перед му-
тациями служит то, что это исключительно длинный ген
и, соответственно, в нем много мест, где может возникнуть
мутация. В нормальном состоянии этот ген подавляет раз-
витие опухолей, что делает его жизненно важным для оста-
новки развития рака. По этой причине его часто называют
«стражем генома».

Но при мутации он становится одним из самых распро-
страненных базовых генов рака человека. Более того, мута-
ции в определенных местах этого гена часто коррелируют
с конкретными типами рака. Так, у завзятых курильщиков
часто развивается рак при трех специфических мутациях гена
р53, и это служит доказательством того, что рак легких у дан-
ного человека развился, скорее всего, из-за сигаретного дыма.

В будущем в результате развития генной терапии
и CRISPR можно будет исправлять ошибки в гене р53 при
помощи иммунотерапии и квантовых компьютеров и таким
образом вылечивать многие формы рака.

Вспомним, что иммунотерапия имеет побочные эф-
фекты, которые в редких случаях приводят даже к смерти
пациента. Отчасти это обусловлено тем, что вырезание кус-
ков генов и их вставка осуществляются неточно. К примеру,
р53 — очень длинный ген, так что ошибки при его разре-
зании могут быть вполне обычным делом. Не исключено,
что квантовые компьютеры помогут нам снизить частоту
смертельно опасных побочных эффектов. В принципе они
могли бы расшифровать молекулы в генах определенных
раковых клеток и построить их схемы. Тогда при помощи
технологии CRISPR можно было бы аккуратно разрезать
ген точно в нужных местах. Таким образом, очень может
быть, что совместное использование генной терапии, кван-
товых компьютеров и CRISPR даст возможность разрезать
и сращивать гены с абсолютной точностью, снижая таким
образом остроту проблемы опасных побочных эффектов.

Генная терапия CRISPR

Клара Родригес Фернандес пишет на сайте Labiotech: «В тео-
рии CRISPR мог бы позволить нам редактировать любую
генетическую мутацию по желанию и излечивать любую
болезнь генетического происхождения»2. Понятно, что пер-
вой мишенью ученых становятся генетические заболева-
ния, в которых задействована одна-единственная мутация.
Фернандес добавляет: «Поскольку мутации одного челове-
ческого гена могут вызвать более ю ооо болезней, CRISPR
дает надежду излечить их все, исправив любую вызываю-
щую их генетическую ошибку». В будущем, когда техно-
логия получит развитие, можно будет перейти к изучению
генетических заболеваний, вызываемых множественными
мутациями в нескольких генах.

Приведем, к примеру, список некоторых генетических
заболеваний, которые в настоящее время лечат при по-
мощи CRISPR:
1,	Рак

Ученые из Университета Пенсильвании сумели использо-
вать CRISPR для удаления трех генов, которые позволяют
раковым клеткам избегать внимания иммунной системы
организма. Затем они вставили туда другой ген, способ-
ный помочь иммунной системе распознавать опухоли.
Ученые обнаружили, что этот метод безопасен, даже ко-
гда применяется для лечения пациентов с запущенным
раком.

Кроме того, CRISPR Therapeutics проводит испытание
своего метода на 130 пациентах, страдающих раком крови.
Этих пациентов лечат методами иммунотерапии, в которой
для модификации ДНК применяется CRISPR.

2,	Серповидноклеточная анемия

Кроме того, CRISPR Therapeutics забирает стволовые клетки
костного мозга у пациентов, страдающих серповиднокле-
точной анемией. После этого CRISPR меняет эти клетки
так, чтобы они производили эмбриональный гемоглобин.
Обработанные клетки затем вводятся снова в организм па-
циентов.

3.	СПИД

Некоторые люди (их очень мало) рождаются с природным
иммунитетом к СПИДу из-за мутации гена CCR5. Обычно
белок, вырабатываемый благодаря этому гену, создает для
ВИЧ точку входа, через которую этот вирус проникает
в клетку. Для людей без такой мутации ученые намеренно
редактируют ген CCR5 при помощи CRISPR так, чтобы ви-
рус не мог проникнуть в их клетки.
4.	Муковисцидоз

Муковисцидоз — относительно распространенное респи-
раторное заболевание; люди, страдающие им, редко дожи-
вают до 40 лет. Вызывается оно мутацией гена CFTR. В Ни-
дерландах врачи сумели при помощи CRISPR исправить
этот ген, не вызвав при этом побочных эффектов. Другие
компании, такие как Editas Medicine, CRISPR Therapeutics
и Beam Therapeutics, тоже планируют лечить муковисцидоз
при помощи CRISPR.

у. Хорея Гентингтона

Это генетическое заболевание часто становится причиной
деменции, душевных болезней, когнитивных нарушений
и других инвалидизирующих симптомов. Считается, что
этим заболеванием страдали некоторые из женщин, осу-
жденных в 1692 г. в Салеме как ведьмы. Возникает оно в ре-
зультате дублирования в ДНК гена Гентингтона. Специали-
сты Детской больницы Филадельфии используют CRISPR
для его лечения.

Если болезни, вызываемые минимальным числом му-
таций, представляют собой относительно простые мишени
для CRISPR, то в таких болезнях, как шизофрения, может
быть задействовано большое количество мутаций плюс
взаимодействие со средой. Это еще одна причина того, что
без квантовых компьютеров нам, скорее всего, не обой-
тись.

Чтобы понять, как все эти мутации вызывают бо-
лезнь на молекулярном уровне, потребуется вся мощь
квантовых компьютеров. Если мы будем знать молеку-
лярный механизм, посредством которого определенные
белки вызывают генетические болезни, то сможем мо-
дифицировать их или найти более эффективные методы

лечения.
Парадокс Пето

Но здесь возникает парадокс, связанный с раком. Биолог
Ричард Пето из Оксфорда заметил у слонов одну стран-
ность. Казалось бы, из-за их массивности следовало ожи-
дать, что раком они будут страдать чаще, чем более мелкие
животные. В конце концов, большая масса означает, что
в каждый конкретный момент времени делится большее
число клеток — и возникает больше возможностей для ге-
нетических ошибок, таких как рак. Но, как ни удивительно,
слоны страдают раком относительно редко. Этот факт по-
лучил известность как парадокс Пето.

Анализируя животное царство, мы видим это прак-
тически всюду. Распространенность рака часто не соотно-
сится напрямую с массой тела. Позже было обнаружено,
что у слонов имеется 20 копий гена р53, тогда как у нас,
людей, — всего одна. Считается, что эти лишние копии р53
в сотрудничестве с другим геном, который называется LIF,
обеспечивают слонам преимущество в отношении рака. По-
этому получается, что такие гены, как р53 и LIF, работают
на подавление рака у крупных животных.

Но, возможно, это еще не все. У китов, к примеру,
только одна копия р53 и один вариант LIF, тем не менее
рак у них встречается редко. Это означает, что у китов, ве-
роятно, имеются другие, еще не найденные учеными гены,
которые защищают их от рака. Мало того, считается, что
генов, которые часто не дают крупным животным стано-
виться жертвами рака, может быть много. Возможно, у не-
которых акул тоже есть какое-то генетическое преимуще-
ство, дарованное им эволюцией. Гренландская акула живет
до 500 лет; вероятно, этим она тоже обязана какому-то не-
известному пока гену.

«Есть надежда, что, если мы узнаем, как эволюция на-
шла способ предотвращать рак, мы сможем перевести это
знание в эффективную профилактику рака. Каждый орга-
низм, получивший в процессе эволюции большие размеры
тела, имеет свое решение парадокса Пето. В природе нас
ждет множество открытий, которые укажут путь к предот-
вращению рака»3, — заявляет Карло Мейли, занимающийся
изучением гена р53 в животном царстве. А квантовые ком-
пьютеры станут отличным инструментом для поиска этих
загадочных антираковых генов.

Существует немало способов, посредством которых
квантовые компьютеры помогут нам в войне с раком.
Не исключено, что когда-нибудь методы жидкостной био-
псии позволят обнаруживать раковые клетки за многие
годы до формирования опухолей. Мало того, когда-нибудь
квантовые компьютеры сделают возможным гигантское
национальное хранилище самых свежих геномных данных,
а наши ванные будут использоваться для сканирования лю-
бого человека в поисках самых ранних признаков присут-
ствия раковых клеток.

Но если рак все же сформируется, квантовые компью-
теры, возможно, научат нас вводить в иммунную систему
модификации, которые позволят ей атаковать сотни раз-
личных типов рака. Сочетание генной терапии, иммуно-
терапии, квантовых компьютеров и CRISPR дало бы воз-
можность вырезать и вставлять участки генов с большой
молекулярной точностью, помогая снизить побочные эф-
фекты иммунотерапии, которые часто оказываются леталь-
ными. Кроме того, огромное большинство типов рака, ве-
роятно, контролируется горсткой генов, таких как р53, так
что генная терапия в сочетании с новыми знаниями, полу-
ченными при помощи квантовых компьютеров, будет, ве-
роятно, в состоянии остановить их развитие.

Все эти инновации в лечении рака, такие как жид-
костная биопсия и иммунотерапия, подтолкнули в 2022 г.
президента Джозефа Байдена объявить об амбициозной
задаче — запуске национального проекта по снижению
смертности от рака по крайней мере вдвое за ближайшие
25 лет. Учитывая стремительное развитие биотехнологий,
это, безусловно, достижимая цель.

Хотя мы, вероятно, научимся полностью излечивать при
помощи этих технологий все большее число типов рака,
скорее всего, мы и дальше будем страдать от некоторых
его форм просто потому, что рак слишком разнообразен
и формируется огромным числом способов. Но в будущем
мы, вероятно, будем относиться к раку, как к неприятно-
сти, которую легко предотвратить, — примерно как сегодня
мы относимся к обычной простуде. Но еще одна мощная
комбинация новых технологий, о которой мы поговорим
в следующей главе, даст нам еще одну линию защиты про-
тив болезней. ИИ и квантовые компьютеры позволят нам
создавать дизайнерские белки, из которых состоит наше
тело. Не исключено, что вместе они обеспечат нам возмож-
ность не только вылечивать неизлечимые сегодня болезни,
но и менять саму жизнь.
ГЛАВА 12

ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ
И КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

Может ли машина думать?

Этот вопрос был главным на исторической
Дартмутской конференции 1956 г., где родилась
совершенно новая область науки, которую окрестили «ис-
кусственным интеллектом». Началась она со следующего
дерзкого предположения: «Будет сделана попытка выяс-
нить, как заставить машины пользоваться языком, форми-
ровать абстракции и концепции, решать задачи, которые
сейчас подвластны только человеку, и совершенствовать
себя»1. Предсказывали, что «можно добиться значитель-
ного продвижения... если тщательно подобранная группа
ученых поработает над этой задачей совместно в течение
лета».

Сегодня, много лет спустя, некоторые из самых талант-
ливых ученых все еще упрямо работают над этой задачей.

Одним из ведущих участников той конференции был
профессор МТИ Марвин Мински, которого называют отцом
искусственного интеллекта.

Когда я расспрашивал его о том периоде, он сказал, что
это были невероятные времена. Казалось, что уже через не-
сколько лет человеческий интеллект и интеллект машины
будут сопоставимы. Надо лишь немного подождать — и ро-
боты начнут легко проходить тест Тьюринга.
Вроде бы каждый год в области ИИ делаются новые
прорывные открытия. Впервые цифровые компьютеры
научились играть в шашки и даже обыгрывать человека
в какие-то простые игры. Были компьютеры, способные, как
школьники, решать алгебраические задачи. Конструирова-
лись механические руки, способные распознавать, а затем
и поднимать кубики. Ученые Стэнфордского исследова-
тельского института построили Shakey — мини-компью-
тер в форме ящика, поставленного на гусеницы и снабжен-
ного сверху камерой. Его можно было запрограммировать
так, чтобы он ездил по комнате и распознавал встреченные
предметы. Он был способен самостоятельно прокладывать
себе маршрут и избегать препятствий. (Его название про-
изошло от шума, который он производил при передвиже-
нии по полу.)

Средства массовой информации сошли с ума. На наших
глазах рождается механический человек, трубили они. За-
головки научных журналов предвещали появление домаш-
них роботов, способных пропылесосить пол, вымыть посуду
и избавить нас от домашней работы. В один прекрасный
день роботы станут полноценными няньками и даже дове-
ренными членами семьи. Началось финансирование воен-
ных проектов, таких как разработка боевых роботов, в част-
ности Smart Truck, который когда-нибудь будет ездить без
помощи человека, проводить разведку в тылу противника,
спасать раненых, а затем вновь возвращаться на базу, и все
это совершенно самостоятельно.

Историки начали писать, что мы стоим на пороге ис-
полнения древней мечты. Когда-то греческий бог Вулкан
создал целую орду роботов, которые должны были работать
у него в замке. Пандора, открывшая волшебную шкатулку
и по незнанию выпустившая наружу напасти на род челове-
ческий, на самом деле была роботом, созданным Вулканом.
И даже энциклопедист Леонардо да Винчи в 1495 г. построил
механического рыцаря, способного двигать руками, стоять,
сидеть и поднимать забрало, а управляли им при помощи
серии скрытых проводов и блоков.

Но затем наступила «зима ИИ». Несмотря на все побед-
ные пресс-релизы, ИИ оказался слишком разрекламирован,
и через некоторое время на общественность опустилось
темное облако пессимизма. Ученые начали понимать, что
их ИИ-устройства подобны цирковым лошадкам, умеющим
исполнять всего один трюк. Каждое из них выполняло лишь
одно простое задание. Роботы по-прежнему были неуклю-
жими машинами, способными с большим трудом передви-
гаться по комнате. Идея создания универсальной машины,
которая по интеллекту могла бы сравниться с человеком,
казалась невероятно далекой.

Военные тоже начали терять интерес к этой области. Фи-
нансирование иссякло, и инвесторы потеряли свои деньги.
С той поры миновало уже несколько ИИ-зим, в промежут-
ках между которыми вспыхивали громадный энтузиазм
и бесстыдная реклама, завершавшиеся очередным крахом.
Ученым приходилось раз за разом сталкиваться с суровой
реальностью: разработать ИИ сложнее, чем кажется.

Учитывая тот факт, что Марвин Мински был свидете-
лем прихода и отступления множества ИИ-зим, я спросил,
нет ли у него прогноза относительно того, когда робот смо-
жет сравняться с человеком по интеллекту или превзойти
его. Он улыбнулся и сказал, что больше не делает подоб-
ных прогнозов. И в хрустальный шар тоже больше не смо-
трит. Слишком часто, признал он, люди позволяют энту-
зиазму себя увлечь.

Проблема, по его словам, в том, что исследователи ИИ
страдают, как он выразился, от «зависти к физике» — же-
лания найти для ИИ единственную, универсальную, пере-
крывающую все остальное тему. Физики, сказал он, ищут
единую универсальную теорию поля, которая даст все-
объемлющую, элегантную картину Вселенной, но искус-
ственный интеллект — другое дело. Это пестрое лоскутное
одеяло со множеством расходящихся и даже конфликтую-
щих путей, данных нам эволюцией.

Новые идеи и новые стратегии необходимо исследовать.
Одним из перспективных направлений развития может
стать объединение ИИ и квантовых компьютеров, что по-
зволит слить мощь этих двух областей для решения многих
проблем. В прошлом ИИ был неразрывно связан с цифро-
выми компьютерами и страдал от их раздражающих огра-
ничений. Но ИИ и квантовые компьютеры дополняют друг
друга. ИИ обладает способностью осваивать новые сложные
задачи, а квантовые компьютеры могут обеспечить его не-
обходимыми вычислительными мускулами.

Квантовый компьютер обладает внушительной мощ-
ностью, но он не обязательно учится на своих ошибках.
Однако квантовый компьютер, снабженный нейросетями,
способен будет на каждом этапе улучшать свои вычисления,
так что он сможет решать задачи быстрее и эффективнее,
находя при этом новые решения. Точно так же системы ИИ
обладают способностью учиться на ошибках, но их пол-
ная вычислительная мощь оказывается недостаточной для
решения сложных задач. Так что ИИ, подкрепленный вы-
числительной мощностью квантового компьютера, мог бы
справиться с более сложными задачами.

Наконец, союз ИИ и квантовых компьютеров способен
открыть совершенно новые направления для исследова-
ний. Вполне реально, что ключ к искусственному интел-
лекту лежит в квантовой теории. Мало того, слияние того
и другого произведет революцию во всех областях науки,
изменит наш образ жизни и принципиально преобразует
экономику. ИИ позволит нам создать самообучающиеся
машины, которые начнут имитировать возможности че-
ловека, а квантовые компьютеры обеспечат вычислитель-
ную мощность для создания давно ожидаемой мыслящей
машины.

Как сказал генеральный директор Google Сундар Пичаи:
«Думаю, что ИИ может ускорить квантовые вычисления,
а квантовые вычисления ускорят развитие ИИ»2.

Самообучающиеся машины

Родни Брукс, бывший директор Лаборатории искусствен-
ного интеллекта МТИ, основанной Марвином Мински, —
один из тех ученых, кто давно и напряженно размышляет
о будущем ИИ.

Брукс считает, что ученые в попытках создания ИИ, воз-
можно, подходят к делу слишком узко. К примеру, сказал
он мне, возьмем муху. Она демонстрирует настоящие чу-
деса навигации, которые не под силу лучшим нашим маши-
нам. Совершенно самостоятельно она может ловко летать
по комнате, маневрировать, избегать препятствий, находить
пищу и партнеров, прятаться — и все это при помощи мозга
размером не больше булавочной головки. Настоящее чудо
биологического инжиниринга.

Как такое возможно? Как могла мать-природа создать
летающую машину, способную посрамить наши лучшие
воздушные судна?

Брукс начал понимать, что занявшиеся ИИ ученые в да-
леком 1956 г. задавали себе неверный вопрос. Тогда все ис-
ходили из предположения, что мозг — это своеобразная
машина Тьюринга, цифровой компьютер. Ты записываешь
полный набор правил для шахмат, ходьбы, алгебры и т. п.
в одну гигантскую программу, вставляешь ее в цифровой
компьютер — и он вдруг начинает мыслить. Мыслитель-
ный процесс сводился к программе, и, соответственно, ба-
зовая стратегия была ясна: писать все более хитроумные
программы, чтобы управлять машиной.

Вспомним, что машина Тьюринга имеет процессор, ко-
торый как раз и выполняет поступающие в нее команды.
Она разумна ровно настолько, насколько разумна выпол-
няемая ею программа. Так что в шагающего робота дол-
жны быть зашиты все законы движения Ньютона, чтобы
управлять движением его конечностей каждую микросе-
кунду. Поэтому для того, чтобы просто пройти по комнате,
потребуются гигантские компьютерные программы с мил-
лионами строк компьютерного кода.

До того момента, рассказал мне Брукс, машины с ИИ
основывались на том, что с самого начала в них пытались
запрограммировать все законы логики и движения, что ока-
залось неподъемной задачей. Такой подход получил назва-
ние «сверху вниз» — для робота с самого начала составляли
программу на все случаи жизни. Но роботы, созданные та-
ким методом, выглядели жалко. Если бы вы взяли Shakey
или продвинутого робота военной разработки того времени
и поместили в лес, что бы он сделал? Скорее всего, заблу-
дился бы или упал. При этом любое, даже самое маленькое
насекомое с его крохотным мозгом сможет обежать мест-
ность, найти пищу, партнеров и укрытие, пока наш робот
будет беспомощно валяться на спине.

Мать-природа конструировала свои создания не так.

В природе, понял Брукс, животные не запрограммиро-
ваны на ходьбу с самого рождения. Они учатся на горьком
опыте, и им бывает нелегко. Они ставят одну ногу, затем
другую, падают, поднимаются и начинают все с начала. При-
рода всегда движется вперед методом проб и ошибок.

Здесь можно вспомнить совет, который дает каждый
учитель музыки своим перспективным студентам. Как по-
пасть на сцену Карнеги-холла? Ответ: практика, практика
и еще раз практика.
Иными словами, мать-природа конструирует существа,
которые представляют собой ищущие закономерности са-
мообучающиеся машины — они ориентируются в окружа-
ющем мире методом проб и ошибок. Да, они совершают
ошибки, но с каждым разом приближаются к успеху.

Это так называемый подход «снизу вверх», и начина-
ется он с того, что существо в своем движении натыкается
на все подряд. Так дети учатся, подражая взрослым. Если
положить на ночь в колыбель диктофон, можно услышать,
что малыш непрерывно гулит. На самом деле он бесконечно
практикуется, снова и снова учится издавать те самые звуки,
что слышит, пока не научится верно их копировать.

Вдохновившись этой мыслью, Брукс создал целую стаю
«инсектоидов», или «жукоботов». Они учатся ходить именно
так, как задумала мать-природа, — натыкаясь на препят-
ствия. Вскоре крохотные насекомоподобные роботы уже
ползали по полу в МТИ, натыкались на предметы, но вели
себя более разумно, чем неуклюжие традиционные роботы,
которые следуют строго заданным правилам, но утыкаются
в кусок отклеившихся обоев. Зачем заново изобретать ко-
лесо?

Брукс рассказал мне: «В детстве у меня была книжка,
где мозг описывался как переключаемая телефонная сеть.
Еще раньше в книгах о нем говорилось как о гидродина-
мической системе или паровом двигателе. Затем, в 1960-е,
он стал цифровым компьютером. В 1980-е — многопроцес-
сорным цифровым компьютером с параллельной работой.
Вероятно, где-то есть детская книга, в которой мозг уподоб-
ляется Всемирной паутине».

Так что, вполне возможно, на самом деле мозг — это
ищущая закономерности самообучающаяся машина, осно-
ванная на так называемых нейронных сетях. В информатике
нейронные сети руководствуются так называемым прави-
лом Хебба. Один из его вариантов гласит, что при посто-
янном повторении какого-то задания и учете предыдущих
ошибок выполнение с каждым разом все сильнее прибли-
жается к верному. Иными словами, после многократного
повторения верные для этого задания электрические связи
закрепляются в мозгу ИИ-системы.

К примеру, когда самообучающаяся машина пытается
распознать кошку, ей не дают математического описания
основных черт этого животного. Вместо этого машине пока-
зывают десятки изображений кошек в самых разных ситуа-
циях — они спят, подкрадываются, охотятся, прыгают и т. п.
Затем компьютер самостоятельно, методом проб и оши-
бок разбирается, как выглядит кошка в различных ситуа-
циях и обстоятельствах. Этот процесс называют глубоким
обучением.

Успехи подхода, связанного с глубоким обучением,
поразительны. Компьютер AlphaGo компании Google —
ИИ, созданный для игры в древнюю настольную игру го,
в 2017 г. сумел победить чемпиона мира по этой игре. Это
замечательное достижение, поскольку в го на доске 19 х 19
существует ю17° возможных позиций. Это больше числа
атомов в известной нам Вселенной. AlphaGo учился иг-
рать не только на встречах с лучшими игроками-людьми,
но и с самим собой — партии тогда у него пролетали чуть ли
не со скоростью света.

Проблема здравого смысла

Самообучающиеся машины или нейронные сети могут
со временем решить одну из самых сложных проблем ис-
кусственного интеллекта: так называемую проблему здра-
вого смысла. Вещи, которые люди воспринимают как нечто
само собой разумеющееся, понятные даже ребенку, ока-
зываются неподвластны даже самым продвинутым нашим
компьютерам. Роботы не смогут функционировать в чело-
веческом обществе, пока проблема здравого смысла не бу-
дет разрешена.

К примеру, цифровой компьютер не понимает простой
набор наблюдений, таких как:

•	Вода мокрая, а не сухая.

•	Матери старше своих дочерей.

•	За струну можно потянуть, но ее нельзя толкнуть.

•	Палкой можно ткнуть, но нельзя потянуть.

Несложно перечислить десятки «очевидных» фактов
об окружающем нас мире, недоступных пониманию цифро-
вых компьютеров. Все дело в том, что компьютеры не вос-
принимают мир так, как это делаем мы.

Дети усваивают факты, которые считаются логичными,
поскольку непосредственно сталкиваются с этими вещами.
Они учатся на практике. Знают, что матери старше своих до-
черей, потому что приходилось лично встречать тех и дру-
гих. Но робот — чистый лист, у него нет никакого априор-
ного представления об окружающей среде.

Как мы уже говорили в случае подхода «сверху вниз»,
ученые пытались зашить здравый смысл в программное
обеспечение компьютера. Если бы это удалось сделать, ма-
шина научилась бы сразу ориентироваться и действовать
в человеческом обществе. Однако все подобные попытки
закончились неудачей. Очевидных фактов, которые по-
нимает даже четырехлетний ребенок, попросту слишком
много — овладеть ими нашим цифровым компьютерам
не под силу.

Так что не исключено, что исполнить мечту первых ис-
следователей искусственного интеллекта и вымостить до-
рогу в будущее поможет слияние обоих подходов — «сверху
вниз» и «снизу вверх», а также слияние ИИ с квантовыми
компьютерами.

Поскольку действие закона Мура, как мы видели, за-
медляется, из-за того, что размеры транзисторов прибли-
жаются к размерам атомов, на смену микрочипам неиз-
бежно придут более продвинутые компьютеры, к примеру
квантовые.

Развитие ИИ, в свою очередь, затормозилось из-за не-
достатка вычислительной мощности. Все его способности
в области машинного обучения, распознавания образов,
поисковых систем и робототехники сдерживаются этим
ограничением. Квантовые компьютеры резко бы ускорили
прогресс во всех этих областях, поскольку способны обраба-
тывать громадное количество информации одновременно.
Если цифровые компьютеры обрабатывают биты последо-
вательно, один за другим, то квантовые компьютеры про-
изводят расчет на огромной массе кубитов одновременно,
что экспоненциально увеличивает их мощность.

Таким образом, мы видим, что ИИ и квантовые ком-
пьютеры могут, что называется, перекрестно опылять друг
друга. Квантовые компьютеры выиграют от своей способ-
ности обучаться новому, как это умеют делать нейросети,
а ИИ получит пользу от громадной вычислительной мощ-
ности квантовых компьютеров.

Фолдинг белков

Системы глубокого обучения с ИИ в настоящее время пыта-
ются решить одну из важнейших задач в биологии и меди-
цине — разгадать секрет белковых молекул. Хотя инструк-
ции для жизни заключены в ДНК, именно белки заняты
черной работой и обеспечивают функционирование орга-
низма. Если сравнить наше тело со строительной площад-
кой, то ДНК — это хранилище чертежей, а белки — рабо-
чие и бригадиры, которые берут на себя тяжелую работу.
А любой чертеж бесполезен без армии рабочих, готовых
воплотить его в жизнь.

Белки — рабочие лошадки биологии. Они не только об-
разуют мышцы и обеспечивают тело энергией, но и пере-
варивают пищу, борются с микробами, регулируют телес-
ные функции и выполняют множество других критически
важных задач. Так что биологи задумались: как молекула
белка умудряется выполнять все эти чудесные функции?

В 1950-е и 1960-е гг. ученые при помощи рентгеновской
кристаллографии получили схемы многих белковых мо-
лекул, которые строятся ровно из 20 аминокислот, соеди-
ненных в длинные цепочки и образующих сложные пере-
плетения. К своему немалому удивлению, исследователи
обнаружили, что именно форма белковой молекулы позво-
ляет ей творить чудеса. Ученые говорят, что в этом случае
«функция следует за формой», то есть именно форма белко-
вой молекулы со всеми ее хитроумными узлами и изгибами
определяет характерные свойства этого белка.

Рассмотрим, к примеру, вирус COVID-19, имеющий, как
нам известно, форму солнечной короны: из его поверхно-
сти радиально выступает шипами множество белков. Эти
шипы подобны ключам, отпирающим конкретные «замки»
на поверхности наших легочных клеток. Отперев замок,
белок-шип затем впрыскивает свой генетический материал
в легочную клетку, где тот сразу же начинает производить
многочисленные копии. Затем клетка умирает, высвобо-
ждая при этом смертельные вирусы, способные заразить еще
больше здоровых клеток. Шипы этого вируса — причина
того, что мировая экономика в 2020-2022 гг. едва не рухнула.

Так что форма белка больше, чем что-либо иное, опреде-
ляет поведение этой молекулы. Если бы нам была известна
Рис. 10. Фолдинг белка

Белки представляют собой длинную цепочку из 20 типов
аминокислот, способную складываться различными сложными
способами. Форма сложенной молекулы определяет,
как она работает. Квантовые компьютеры позволят ученым
анализировать, а затем и создавать совершенно новые белки
с необычными, но полезными свойствами, что приведет
к рождению новой отрасли биологии.

Mapping Specialists Ltd.

форма всех белковых молекул, мы были бы на один гигант-
ский шаг ближе к пониманию того, как все это работает.

Это и есть «проблема фолдинга белка» — задача опре-
деления точной формы всех важнейших белков; не исклю-
чено, что ее решение раскроет для нас секреты многих не-
излечимых болезней.

В свое время рентгеновская кристаллография стала клю-
чом к определению формы белковой молекулы, но это
долгий и весьма трудоемкий процесс. Для начала ученые
химически изолируют и очищают белки, которые хотят
проанализировать, затем их необходимо кристаллизовать.
Кристаллизованные белки помещают в рентгеновскую ди-
фракционную машину, которая просвечивает кристалл
рентгеновским излучением и получает на фотопленке ин-
терференционную картину. На первый взгляд такая рентге-
новская фотография кажется безнадежной путаницей точек
и линий. Но ученые, используя интуицию, удачу и законы
физики, пытаются расшифровать с ее помощью структуру
белка.

Рождение вычислительной биологии

Итак, одна из целей нарождающейся отрасли, получившей
название вычислительной биологии, — научиться разга-
дывать при помощи компьютеров трехмерную структуру
белка просто исходя из его химических составляющих. Мо-
жет быть, вместо долгих лет тяжкого труда по распутыва-
нию структуры белковой молекулы можно будет просто
нажать кнопку на компьютере с программой ИИ.

Чтобы подстегнуть исследования в этой сложной,
но принципиально важной области, ученые попытались
применить новую стратегию. Был объявлен конкурс CASP
(Критическая оценка предсказания белковых структур),
цель которого — выяснить, кто обладает лучшей компью-
терной программой для разрешения проблемы фолдинга
белка.

Это стало поворотным пунктом, поскольку ставило пе-
ред молодыми учеными интересную и конкретную цель.
Они получили возможность добиться славы и признания
коллег, решив при помощи ИИ проблему фолдинга белка,
что могло привести к созданию новых методов лечения,
спасающих тысячи жизней.

Правила конкурса были просты. Вам давали самые ба-
зовые сведения о природе какого-то белка, такие как по-
следовательность аминокислот. Затем ваша компьютерная
программа должна была выяснить все подробности о том,
как этот белок складывается. Один из подходов к реше-
нию этой задачи состоял в том, чтобы использовать вслед
за Ричардом Фейнманом принцип наименьшего действия.
Вы помните, что Фейнман еще студентом мог определить,
какую траекторию выберет шар путем минимизации его
действия (это кинетическая энергия шара минус его потен-
циальная энергия).

Этот же метод можно применить и в отношении белко-
вых молекул. Цель — найти конфигурацию аминокислот,
которая соответствует состоянию с минимальной энергией.
Данный процесс сравнивают со спуском с горы и поиском
самой низкой точки долины. Сначала вы делаете малень-
кие пробные шажки во всех направлениях. Затем начинаете
двигаться туда, где высота слегка понижается. Затем по-
вторяете все с начала и делаете следующий шаг, проверяя,
нельзя ли спуститься еще немного, — и так пока не достиг-
нете дна долины.

Аналогично можно найти конфигурацию аминокислот
с минимальной энергией. Вот один из примерных алго-
ритмов.

Прежде чем начать, вы проводите серию аппроксима-
ций. Поскольку молекула включает в себя множество вол-
новых функций, описывающих электроны и ядра, и все они
сложным образом взаимодействуют между собой, расчет
быстро выходит за рамки возможностей традиционного
компьютера. Так что вы просто отбрасываете некоторое
количество сложных слагаемых, которые относительно не-
велики (таких как взаимодействие электронов с тяжелыми
ядрами и некоторые взаимодействия электронов между
собой), и надеетесь, что это не повлечет за собой слишком
много ошибок.

Теперь, когда у вас появилась программа, вы, во-первых,
соединяете все входящие в состав белка аминокислоты друг
с другом в длинную цепочку. Получается скелет, или «игру-
шечная модель» того, как может выглядеть данная белко-
вая молекула. Поскольку вам известны углы, под которыми
определенные атомы соединяются друг с другом, это дает
вам возможный вид белковой молекулы в грубом началь-
ном приближении.

Во-вторых, вы рассчитываете энергию данной конфигу-
рации аминокислот, поскольку энергия различных зарядов
и то, как могут двигаться связи, вам известны.

В-третьих, вы начинаете крутить и изгибать эти связи,
чтобы посмотреть, увеличит новая конфигурация энергию
белка или уменьшит. Это аналог пробных шагов, которые
вы делаете на склоне в поисках того шага, который позво-
лит вам немного спуститься.

В-четвертых, вы отбрасываете все конфигурации, кото-
рые увеличивают энергию, и сохраняете только те, что ее
уменьшают. Методом проб и ошибок компьютер «узнает»,
как передвижение атомов может снизить энергию моле-
кулы.

И наконец, вы начинаете все с начала, закручивая хи-
мические связи или переставляя аминокислоты. С каждой
итерацией снижаете энергию молекулы, играя с расположе-
нием и ориентацией аминокислот, пока наконец не достиг-
нете конфигурации с наименьшей энергией.

В обычных условиях этот процесс постоянного измене-
ния позиций атомов для цифрового компьютера был бы
невозможен. Но поскольку вы начинаете с серии аппрокси-
маций и к тому же отбрасываете сложные слагаемые, кото-
рые относительно невелики, компьютер справляется с упро-
щенным вариантом задачи за несколько часов или суток.

Поначалу результаты вызывали лишь насмешку. При
сравнении формы молекулы, предсказанной компьюте-
ром, с реальной формой, которую показывала рентгенов-
ская кристаллография, компьютерные модели оказывались
очень далеки от реальности. Но годы шли, программы са-
мообучения компьютеров становились более мощными,
а модели — более точными.

К 2021 г. были получены впечатляющие результаты. При
всех аппроксимациях компьютерная компания DeepMind,
аффилированная с Google и создавшая AlphaGo, объявила,
что их программа ИИ под названием AlphaFold расшифро-
вала приблизительную структуру огромного числа белков:
350000. Более того, 250000 форм из этого числа ранее
не были известны. Она расшифровала ЗЭ-структуру всех
20 ооо белков, фигурирующих в списке проекта «Геном че-
ловека». Она даже разобралась в структуре белков, обна-
руженных у мышей, плодовых мушек и бактерий Е. coli.
Позже создатели DeepMind объявили, что скоро выпустят
базу данных на более чем юо млн единиц, в которую вой-
дут все известные науке белки.

Замечательно также, что при всех аппроксимациях их
конечные результаты приблизительно соответствовали
результатам, полученным методами рентгеновской кри-
сталлографии. Несмотря на отбрасывание различных чле-
нов волнового уравнения Шрёдингера, авторы программы
смогли получить удивительно хорошие результаты.

«Мы не могли продвинуться в решении этой про-
блемы — то есть выяснить, как складываются белки, —
почти 50 лет. Видеть, как DeepMind выдает решение задачи,
когда лично проработал над этой проблемой так долго, по-
сле стольких остановок и новых стартов, когда возникали
сомнения, что конечный результат вообще удастся когда-
нибудь получить, — это совершенно особый момент»3, —
рассказал один из основателей CASP Джон Моулт.

Новая золотая жила информации повлекла за собой не-
медленные последствия. К примеру, эта методика использу-
ется для распознавания 26 различных белков, присутству-
ющих в коронавирусе: ученые надеются найти его слабое
место и создать новые вакцины. В будущем, вероятно, будет
найдена структура тысяч принципиально важных белков.
«Мы сумели разработать белки, нейтрализующие коронави-
рус, за несколько месяцев. Но наша цель — делать подобные
вещи за пару недель»4, — говорит Дэвид Бейкер из Инсти-
тута конструирования белков Вашингтонского университета.

И это только начало. Мы уже подчеркивали, что здесь
функция следует за формой. Иными словами, то, как белки
делают свою работу, определяется их структурой. Примерно
так же, как ключ входит в замочную скважину, белок творит
свое чудо, сцепляясь каким-то образом с другой молекулой.

Но разобраться в том, как белки складываются, было
простой частью задачи. Теперь начинается трудная часть —
определить при помощи квантовых компьютеров полную
структуру белка, без всяких аппроксимаций, и понять, как
данный конкретный белок сцепляется с другими молеку-
лами так, что он может выполнять свои функции: обеспе-
чивать энергией, действовать в качестве катализатора, сли-
ваться с другими белками, объединяться с другими белками
для создания новых структур, расщеплять другие молекулы
и многое другое. Так что фолдинг белков — лишь первый
шаг на долгом пути, где нас ждут тайны самой жизни.

В будущем исследование программы фолдинга белков
будет проходить в несколько этапов, аналогичных этапам
создания геномики:

1	этап: составляем схему сложенных белков

В настоящее время мы находимся на первом этапе — создаем
громадный словарь с сотнями тысяч записей, соответствую-
щих складыванию различных белков. Каждая запись в этом
словаре — это изображение того, как отдельные атомы объ-
единяются в сложный белок. Эти диаграммы, в свою оче-
редь, получаются путем изучения рентгеновских фотогра-
фий. В этой гигантской книге есть правильное побуквенное
написание для каждого белка, но в остальном она преимуще-
ственно пуста — в ней нет никаких определений. Все в ней
основано на серии аппроксимаций, которые позволяют ци-
фровым компьютерам произвести соответствующий расчет.
Даже удивительно, что с таким количеством аппроксимаций
ученые все же умудряются получать такие точные результаты.

2	этап: определяем функции белков

На этапе, к которому мы в настоящее время переходим,
ученые пытаются понять, как геометрическая форма бел-
ковой молекулы определяет ее функцию. ИИ и квантовые
компьютеры помогут нам разобраться, как те или иные
атомные структуры в сложенном белке позволяют ему вы-
полнять в организме определенные функции. Со временем
у нас будет полное описание физиологических функций ор-
ганизма и того, как белки ими управляют.

3	этап: создаем новые белки и лекарства

Последний шаг состоит в том, чтобы использовать этот сло-
варь белков для создания их новых, улучшенных вариантов,
которые позволят разработать новые лекарства и методы ле-
чения. Для этого нам придется отказаться от аппроксимаций
и проводить все расчеты для реальной квантовой механики
молекул. На это способны только квантовые компьютеры.

Эволюция создала настоящую сокровищницу белков
для выполнения различных задач путем случайных взаимо-
действий. Однако процесс этот растянулся на миллиарды
лет. Использовав память квантового компьютера в качестве
«виртуальной лаборатории», мы, по идее, сможем улучшить
результат деятельности эволюции и сконструировать новые
белки, чтобы улучшить их функционирование в организме.
Этот процесс имеет широкий спектр применений, вклю-
чая поиск совершенно новых лекарств. Для начала некото-
рые мечтают применить его для того, чтобы сделать чище
окружающую среду. Простейший нынешний пример — ра-
бота ученых, которые пытаются найти способы разложе-
ния тех 150 млн т пластиковых бутылок, что уже скопились
в океанах, на мусорных свалках и вашем заднем дворе. Клю-
чевая задача — изучить базу белков и проверить SD-форму
некоторых белков-ферментов, способных расщеплять мо-
лекулы пластика и делать их безвредными. Эта работа уже
ведется в Центре инноваций в области ферментов в Портс-
мутском университете в Англии.

Кроме того, это сразу же подразумевает медицинское
применение, поскольку множество неизлечимых болезней
связано с неправильно свернутыми белками. Одно из пер-
спективных направлений — исследование природы прио-
нов, которые потенциально связаны со многими неизлечи-
мыми болезнями, поражающими пожилых людей, такими
как болезни Альцгеймера и Паркинсона и боковой амио-
трофический склероз. Так что ключ к лечению этих неиз-
лечимых болезней, возможно, будет получен при помощи
квантовых компьютеров.

Таким образом, следующим полем битвы для кванто-
вых компьютеров станет пограничная область медицины —
неизлечимые болезни.

Прионы и неизлечимые болезни

Традиционно во всех учебниках говорится, что болезни рас-
пространяются бактериями и вирусами.

Но это, пожалуй, далеко не вся история. Давно известно,
что животные подвержены странным заболеваниям, не по-
хожим на те, от которых страдают люди. Овцы, поражен-
ные почесухой, ведут себя необычно — отказываются есть
и трутся спиной о столбы. Это неизлечимое и всегда смер-
тельное заболевание. Синдром коровьего бешенства (губ-
чатая энцефалопатия крупного рогатого скота) — анало-
гичный недуг, характерный для крупного рогатого скота;
больные коровы с трудом ходят, становятся нервными,
а иногда даже агрессивными.

У людей есть экзотическая болезнь под названием куру,
которую можно встретить среди некоторых племен Новой
Гвинеи. У представителей этих племен принято проводить
погребальную церемонию, в ходе которой съедают мозг
усопшего. Некоторые из тех, кто участвовал в такой про-
цедуре, страдали после этого деменцией, перепадами на-
строения, испытывали трудности при ходьбе и другие сим-
птомы — всё из-за новой болезни, обнаруженной в мозге
их родственников.

Стэнли Прузинер из Калифорнийского университета
в Сан-Франциско пошел против мейнстрима в традицион-
ной медицине, заключив, что все это свидетельствует о за-
болевании нового типа. В1982 г. он объявил, что ему удалось
очистить и выделить белок, вызывающий это заболевание.
В 1997 г. он получил Нобелевскую премию по физиологии
и медицине за открытие прионов.

Прион — это белок, который сложился неправильно.
Вызываемые прионами заболевания распространяются
не так, как обычно: часто это происходит при контакте
с другими белками. Соприкасаясь с нормальной молекулой
белка, прион каким-то образом вынуждает этот нормаль-
ный белок сложиться неправильно. Именно поэтому при-
онные заболевания могут стремительно распространяться
по всему организму.

Хотя вопрос до конца не решен, сегодня ряд ученых
считает, что многие смертельные болезни, поражающие по-
жилых людей, возможно, также вызваны прионами. Среди
них и болезнь Альцгеймера, которую уже окрестили «бо-
лезнью века». На данный момент известно, что болезнью
Альцгеймера страдает 6 млн американцев, многие из ко-
торых старше 65 лет. Не менее чем каждый третий пожи-
лой человек умирает от болезни Альцгеймера или демен-
ции. В настоящее время это, согласно статистике, шестая
причина смертности в США, и число случаев уверенно ра-
стет. По оценкам, примерно половина из тех, кто доживает
до 8о лет, со временем может стать жертвой этой болезни.

Болезнь Альцгеймера особенно трагична, поскольку бьет
по самому личному и дорогому, что у нас есть, — по воспо-
минаниям и ощущению того, кто мы такие. Первым делом
она поражает области мозга, расположенные близко к цен-
тру, например гиппокамп, где обрабатывается кратковре-
менная память. Поэтому первые признаки болезни Альц-
геймера — забывание того, что только что произошло. Мы
можем вспоминать с точностью и в мельчайших подроб-
ностях события, имевшие место 6о лет назад, но забываем
то, что произошло шесть минут назад. Но со временем бо-
лезнь поражает весь мозг, и даже долговременная память
пропадает в песках времени. Эта болезнь всегда смертельна.

Моя мама умерла от болезни Альцгеймера. Было очень
тяжело видеть, как медленно пропадают ее воспоминания,
и в какой-то момент она перестала узнавать меня. Позже
она перестала воспринимать и себя — она уже не пони-
мала, кто она такая.

Известно, что болезнь Альцгеймера имеет генетиче-
ские корни. Ей более других подвержены люди с мута-
цией гена АРОЕ4. В одном из научно-популярных сериа-
лов на канале Би-би-си, где я выступал в роли ведущего,
камера показала крупным планом мое лицо, когда меня
спросили, хочу ли я проверить наличие у себя этой мута-
ции — и, соответственно, узнать, склонен ли я генетиче-
ски к этой болезни. Что бы я сказал, если бы выяснилось,
что я действительно обречен умереть от болезни Альцгей-
мера? Я подумал и в конечном итоге ответил, что все же
хотел бы сделать этот тест, поскольку всегда лучше быть го-
товым к будущему, что бы оно в себе ни несло. (К счастью,
результат был отрицательным.)

К несчастью, основная причина болезни Альцгеймера
неизвестна. Подтвердить, что какой-то конкретный чело-
век страдал ей, можно только при вскрытии. Врачи часто
обнаруживают, что в мозге тех, кто страдал Альцгейме-
ром, присутствует два типа «липких» белков — так на-
зываемые бета- и тау-амилоидные белки. Однако ученые
десятилетиями спорили, являются ли эти белки причи-
ной болезни Альцгеймера или ее менее значимым побоч-
ным продуктом. Проблема в том, что на вскрытиях видно,
что некоторые люди, в мозге которых присутствуют зна-
чительные отложения амилоидных белков, не проявляли
при жизни никаких симптомов болезни. Поэтому прямой
причинно-следственной связи между амилоидными бляш-
ками и болезнью Альцгеймера во многих случаях не про-
слеживается.

Недавно был найден один из ключиков к этой загадке.
Ученые в Германии обнаружили прямую корреляцию ме-
жду теми, у кого имеются белки неправильной формы,
и теми, кто страдает болезнью Альцгеймера. В 2019 г. они
сделали поразительное заявление, что люди, в крови кото-
рых обнаруживается неправильно сложенный амилоидный
белок и у которых пока совершенно не проявляются сим-
птомы болезни, имеют вероятность развития Альцгеймера
в 23 раза больше, чем все остальные. Эта связь наблюда-
ется даже за 14 лет до постановки клинического диагноза.

То есть возможно, что за многие годы до развития у че-
ловека симптомов Альцгеймера простой анализ крови спо-
собен показать его шансы; для этого достаточно исследовать
кровь на присутствие неправильно сложенного амилоид-
ного белка.

Стэнли Прузинер в одном из недавних исследований
заявил: «По-моему, это несомненно показывает, что бета-
амилоид и тау-белок представляют собой прионы и что
болезнь Альцгеймера — двухприонное расстройство, при
котором эти нестандартные белки вместе разрушают мозг...
Нам нужны радикальные перемены в исследовании болезни
Альцгеймера»5.

Один из авторов отчета Клаус Герверт подчеркнул, что
инновации на этом пути могут привести к созданию про-
грессивных методов лечения болезни Альцгеймера, кото-
рых в настоящий момент просто не существует: «Таким об-
разом, измерение неправильно сложенного амилоидного
бета-белка в крови внесет ключевой вклад в поиск лекар-
ства против болезни Альцгеймера»6.

Еще один автор отчета — Герман Бреннер из Герма-
нии — добавил: «Все сейчас возлагают надежды на исполь-
зование новых подходов к лечению болезни на ее ранней,
бессимптомной, стадии. Это позволит предпринять профи-
лактические шаги»7.

«Хороший» и «плохой» варианты
амилоидного белка

Еще одно открытие, сделанное в 2021 г., поможет нам по-
нять, как в точности происходит процесс разрушения мозга
при болезни Альцгеймера. Ученые из Калифорнийского
университета обнаружили, что плохой вариант амилоид-
ного белка отличается от хорошего с первого взгляда на их
структуру. Исследователи выяснили, что белковые моле-
кулы, поскольку они представляют собой длинную свер-
нутую цепочку аминокислот, часто имеют в своем составе
участки, свернутые спиралью — или по часовой стрелке,
или против.

У нормального амилоидного белка форма всегда «лево-
сторонняя», то есть все спирали и изгибы молекулы ори-
ентированы одинаково. А вот другой амилоидный белок,
который связывают с болезнью Альцгеймера, имеет пра-
восторонний характер. Если эта теория — что за болезнь
Альцгеймера отвечает один тип неправильно сложенного
амилоидного белка — подтвердится, это откроет для нас
совершенно новое направление исследований.

Для начала необходимо создать подробные трехмерные
изображения обоих типов амилоидных белков. Квантовые
компьютеры должны помочь нам разобраться на атомном
уровне, как именно деформированная молекула Альцгей-
мера умудряется передавать свои свойства при столкнове-
нии со здоровыми молекулами и почему ей под силу на-
нести столько вреда мозгу.

Затем, исследуя структуру этого белка, мы, возможно,
сумеем определить, как он выбивает из колеи нейроны на-
шей нервной системы. Когда этот механизм прояснится,
перед нами откроется несколько возможных путей. С од-
ной стороны, можно выделить дефекты в этом белке и при
помощи генной терапии получить правильную версию нуж-
ного гена. С другой — когда-нибудь, возможно, удастся раз-
работать лекарства, способные либо заблокировать рост
правостороннего белка, либо способствовать его более бы-
строму удалению из организма.

Известно, к примеру, что эти деформированные мо-
лекулы существуют в мозге всего около 48 часов, а затем
естественным образом вымываются прочь. Когда мы раз-
беремся в молекулярной структуре правостороннего белка,
мы сконструируем другую молекулу, которая будет захваты-
вать эту девиантную молекулу и либо разрушать ее, нейтра-
лизуя и делая безопасной, либо связываться с ней, чтобы
их быстрее уносило из организма. Квантовые компьютеры,
вероятно, будут полезны для поиска слабых мест опасной
молекулы.

Короче говоря, квантовые компьютеры помогут нам
найти подходы на молекулярном уровне. С их помощью
станет реальным нейтрализовать или устранить дурной
прион: сделать это методом проб и ошибок или с исполь-
зованием цифровых компьютеров мы не в состоянии.

Боковой амиотрофический склероз

Еще одна мишень для квантовых компьютеров — боковой
амиотрофический склероз (БАС), известный также как бо-
лезнь Лу Герига, смертельная болезнь, которая превращает
тело человека в парализованную массу тканей. В США ей
страдает по крайней мере 16 ооо человек. Сознание остается
нетронутым, но тело не слушается. Эта болезнь действует
на нервную систему; в каком-то смысле она нарушает связь
между мозгом и мышцами и в результате приводит к смерти.

Самая знаменитая жертва этой болезни — покойный
космолог Стивен Хокинг. Его случай необычен: он прожил
до 76 лет, тогда как большинство больных умирает быстро.
После постановки диагноза жертвам этой ужасной болезни
обычно удается прожить от двух до пяти лет.

Однажды Хокинг пригласил меня прочесть в Кембридж-
ском университете лекцию по теории струн. Побывав в его
доме, я был поражен. Дом был полон гаджетов, позволяв-
ших ему функционировать, несмотря на изнурительную бо-
лезнь. В одно механическое устройство, к примеру, можно
было поместить журнал по физике. Нажимаешь кнопку —
и устройство автоматически переворачивает страницу.
За то время, что я имел удовольствие с ним провести,
на меня произвели впечатление его сила воли, его стрем-
ление быть продуктивным и участвовать в жизни физиче-
ского сообщества. Несмотря на почти полный паралич, он
старался продолжить исследования и общаться с людьми.
Решимость перед лицом столь серьезных препятствий сви-
детельствовала о храбрости и целеустремленности этого
человека.

С профессиональной точки зрения его работа была свя-
зана с применением квантовой теории к теории тяготения
Эйнштейна. Следует надеяться, что когда-нибудь кванто-
вая теория ответит услугой за услугу и квантовые компью-
теры найдут способ лечить эту ужасную болезнь. В настоящее
время о ней мало что известно, поскольку встречается она от-
носительно редко. Но изучение семейных историй ее жертв
показывает, что в ней задействована целая группа генов.

На данный момент обнаружено около 20 генов, свя-
занных с БАС, но на четыре из них приходится большин-
ство случаев: C9orf72, SOD1, FUS и TARDBP. Неправильная
работа этих генов ведет к смерти двигательных нейронов
в стволе головного мозга и спинном мозге.

Особый интерес вызывает ген SOD1.

Считается, что в возникновении БАС можно обвинить
неправильное складывание белка, вызванное SOD1. Этот
ген производит фермент под названием супероксиддисму-
таза. Его задача — расщеплять заряженные молекулы кис-
лорода, известные как супероксидные радикалы, которые
потенциально опасны. Но, если SOD1 почему-то не устра-
няет эти супероксидные радикалы, нервные клетки оказы-
ваются повреждены. Так что неправильное складывание
белка, создаваемого SOD1, может быть одним из механиз-
мов, вызывающих гибель нейронов.

Знание молекулярной траектории, по которой следуют
эти дефектные гены, — ключ к лечению этой болезни,
и квантовые компьютеры, возможно, сыграют в этом важ-
ную роль. Используя гены в качестве шаблона, можно со-
здать трехмерный вариант дефектного белка, произво-
димого этим геном. Затем, изучая структуру белка, мы
поймем, как он сбивает с толку нейроны нашей нервной
системы. Если мы определим, каким образом дефектный
белок действует на молекулярном уровне, мы, возможно,
сумеем найти и средство против этого.

Болезнь Паркинсона

Еще одно серьезное заболевание, в котором задейство-
ваны мутировавшие белки в головном мозге, — болезнь
Паркинсона. Ею страдает в США около миллиона чело-
век. Самый известный носитель этого диагноза — Майкл
Фокс — использовал свой статус знаменитости, чтобы со-
брать на борьбу с этим недугом миллиард долларов. Как
правило, болезнь Паркинсона вызывает неконтролируемое
дрожание конечностей, но есть и другие симптомы, такие
как трудности с ходьбой, потеря обоняния и различные
расстройства сна.

В исследовании этой болезни наблюдается некоторый
прогресс. Ученые обнаружили, к примеру, что при помощи
сканирования мозга определяются точки, в которых наблю-
даются лишние срабатывания нейронов, вероятно и вы-
зывающие дрожание рук. С этой формой болезни можно
в какой-то степени побороться, введя иглу в мозг, в то ме-
сто, где наблюдается гиперактивность нейронов. Если ней-
трализовать неправильно работающие нейроны, то тремор
частично прекращается.

К несчастью, ни лекарств, ни методов лечения до сих
пор не существует. Но некоторые из генов, связанных с бо-
лезнью Паркинсона, удалось выделить. Можно синтезиро-
вать белки, связанные с этими генами, и расшифровать их
трехмерную структуру при помощи квантовых компьюте-
ров. Таким способом ученые выяснят, как мутации этого
гена вызывают болезнь Паркинсона. Не исключено, что
можно было бы произвести правильный вариант мутиро-
вавшего белка в нужном количестве и ввести его обратно
в тело.

Так что квантовые компьютеры откроют для нас совер-
шенно новый подход к этим неизлечимым болезням, по-
ражающим пожилых людей. Не исключено, что они также
помогут нам в борьбе с одной из величайших проблем в ме-
дицине всех времен: с процессом старения. Научившись
лечить старость, мы одновременно научимся лечить и мно-
жество связанных с ней заболеваний.

Если когда-нибудь квантовые компьютеры найдут лекар-
ство от старости, означает ли это также, что нам вообще
не придется умирать?
ГЛАВА 13

БЕССМЕРТИЕ

Поиск бессмертия — древнейший квест, уходящий
корнями в доисторические времена. Каким бы могу-
щественным ни был король или император, ни один
из них не смог избавиться от морщин на лице, которые
видны были в зеркале и безошибочно предрекали ему пе-
чальный конец.

Одно из старейших дошедших до нас эпических сказа-
ний, возникшее раньше некоторых частей Библии, — Ска-
зание о Гильгамеше, воине Месопотамии. В легенде повест-
вуется о его героических деяниях и скитаниях по Древнему
миру. Путешествуя по степям и пустыням, он участвовал
во множестве приключений, требовавших отваги и вы-
держки, и даже встречался с мудрецом, который был сви-
детелем Всемирного потопа. Гильгамеш пустился в путь,
поскольку должен был выполнить важное задание: найти
секрет вечной жизни. В конечном итоге он отыскал-таки
растение, в котором якобы заключался источник бессмер-
тия. Но съесть его герой не успел — змея неожиданно вы-
хватила растение у него из рук и проглотила. Людям не су-
ждено было стать бессмертными.

В Библии Бог изгнал Адама и Еву из Эдемского сада, по-
тому что они ослушались его приказов и съели запретное яб-
локо. Но что такого опасного было в невинном яблоке? Дело
в том, что яблоко это было запретным плодом познания.
Более того, Бог опасался, что, съев яблоко с древа жизни,
Адам и Ева «станут как мы... и будут жить вечно» — то есть
превратятся в бессмертных.

Император Цинь Шихуанди — человек, объединив-
ший около 2оо г. до н. э. весь Китай, — был одержим
идеей бессмертия. Согласно одной знаменитой легенде,
он отправил на поиски волшебного источника вечной мо-
лодости свой внушительный морской флот. Он отдал ка-
питанам одну команду: если не найдете источник, не воз-
вращайтесь. Очевидно, источника они не нашли, зато,
будучи изгнанными из Китая, открыли вместо этого Ко-
рею и Японию.

Согласно греческой мифологии, богиня утренней зари
Эос влюбилась однажды в смертного Тифона. Поскольку
смертные рано или поздно умирают, Эос упросила Зевса
даровать ее возлюбленному бессмертие. Зевс исполнил ее
желание. Но Эос сделала одну роковую ошибку. Она забыла
наряду с бессмертием попросить для своего возлюбленного
вечной молодости. Как ни печально, с каждым годом Ти-
фон становился старше и дряхлел, но умереть не мог. Так
что тот, кто просит у богов бессмертия, не должен забывать
и о вечной молодости.

Сегодня, когда в нашем распоряжении имеются все
достижения современной медицины, возможно, пришло
время вспомнить об этой древней мечте и посмотреть
на нее под новым углом. Проанализировав горы генетиче-
ских данных о старении и разобравшись в молекулярной
основе самой жизни, мы, может быть, сумеем решить про-
блему старения при помощи квантовых компьютеров. Мало
того, не исключено, что квантовые компьютеры создадут
для нас два типа бессмертия — биологическое и цифро-
вое. Так что источник вечной молодости может, в конце
концов, оказаться вовсе не источником, а компьютерной
программой.
Второй закон термодинамики

Вооружившись современной физикой, можно оглянуться
назад и посмотреть на древний квест с новой точки зре-
ния. Физику старения можно объяснить, используя законы
термодинамики, то есть законы теплоты. Существует три
закона термодинамики. Первый попросту гласит, что общее
количество вещества и энергии постоянно. Невозможно
получить нечто из ничего. Второй закон утверждает, что
в замкнутой системе хаос и разрушение всегда нарастают.
Третий закон говорит о том, что достичь абсолютного нуля
температуры невозможно.

В нашей жизни правит второй закон термодинамики.
Это закон физики, в соответствии с которым все в конеч-
ном счете должно проржаветь, разрушиться и умереть.
То есть энтропия — мера хаоса — всегда нарастает. Кажется,
что этот железный закон запрещает бессмертие, поскольку
в конце концов все разваливается. Кажется, что физика при-
говорила всю жизнь на Земле к смерти.

Но во втором законе есть лазейка. Тот факт, что все дол-
жно разрушиться, верен только для замкнутой системы.
В открытой же системе, куда энергия может притекать
из внешнего мира, рост хаоса способен обратиться вспять.

К примеру, всякий раз, когда рождается новая жизнь,
в частности появляется младенец, энтропия убывает. Новое
живое существо представляет собой огромное количество
данных, очень точно скомпонованных на молекулярном
уровне. Так что жизнь на первый взгляд противоречит вто-
рому закону термодинамики. Но при этом в систему извне
поступает энергия в виде солнечного света. Так что огром-
ным разнообразием жизни на Земле и локальным сниже-
нием энтропии мы обязаны именно энергии солнца.

Таким образом, бессмертие не нарушает законов фи-
зики. Ничто во втором законе термодинамики не запре-
щает живому существу жить вечно — при условии, что
имеется приток энергии извне. В нашем случае речь идет
об энергии солнечного света.

Что такое старение?

Итак, что такое старение?

Согласно второму закону термодинамики, старение вы-
зывается в первую очередь накоплением ошибок на моле-
кулярном, генетическом и клеточном уровнях. Рано или
поздно второй закон нас догоняет. Ошибки встраиваются
в наши клетки и ДНК. Клетки кожи теряют эластичность,
и формируются морщины. Органы перестают нормально
функционировать и отказывают. Нейроны срабатывают не-
правильно, так что мы всё забываем. Иногда развивается
рак. Короче говоря, мы стареем и в конце концов умираем.

Мы видим, как это происходит в животном царстве,
и это позволяет нам лучше понять процесс старения. Срок
жизни бабочек может составлять несколько дней. Мы-
шей — пару лет. Но слоны могут жить по 60-70 лет. А грен-
ландская акула — до 500 лет.

Какая здесь прослеживается общая закономерность?
Мелкие животные очень быстро теряют тепло в сравнении
с крупными животными. Следовательно, скорость обмена
веществ у мыши, которая мечется туда и сюда, пытаясь
уйти от хищника, довольно велика в сравнении с грузным
слоном, неторопливо пережевывающим пищу. Но более
быстрый обмен веществ означает также более быстрое
окисление, в результате которого в органах накапливаются
ошибки.

Ярким примером этого может служить автомобиль. Где
в автомобиле происходит старение? В основном в двига-
теле, где идет окисление из-за сгорания топлива, ну и по-
движные детали изнашиваются. Но где в клетке располага-
ется двигатель?

Большую часть энергии клетка получает из митохон-
дрий. Поэтому мы подозреваем, что именно в митохон-
дриях в основном и накапливаются повреждения, свя-
занные со старением. Вполне вероятно, старение можно
обратить вспять, если обойти второй закон термодинамики,
добавив энергию извне в виде лучшего, более здорового
образа жизни, а также генной инженерии для починки сло-
манных генов.

А теперь представьте себе машину с полным баком высо-
кооктанового топлива. Эта машина прекрасно работает. Даже
стареющий автомобиль бегает лучше, если заправить его от-
личным бензином. Это, в свою очередь, аналогично тому,
что делают такие гормоны, как эстроген и тестостерон, с че-
ловеческим организмом. В каком-то смысле они действуют
как эликсир жизни, давая человеку энергию и жизненную
силу не по годам. Некоторые считают, что именно эстро-
ген — одна из причин того, что женщины в среднем живут
дольше мужчин. Но за долгую жизнь надо платить. И плата
эта — рак. Дополнительная эксплуатация организма озна-
чает накопление дополнительных ошибок, в том числе в ге-
нах, связанных с раком. Так что в каком-то смысле рак оли-
цетворяет нагоняющий нас второй закон термодинамики.

Ошибки в нашей ДНК возникают все время. Повре-
ждения ДНК на молекулярном уровне, к примеру, проис-
ходят в нашем теле от 25 до 115 раз в минуту, или примерно
от 36000 до 160000 раз на одну клетку в сутки. В нашем
теле имеется и механизм починки ДНК, но старение ускоря-
ется, когда механизмы починки оказываются перегружены
из-за огромного числа ошибок. Старение происходит, когда
накопление ошибок идет быстрее, чем организм может их
исправлять.
Как предсказать
продолжительность жизни

Если старение связано с ошибками в нашей ДНК и клетках,
то вполне реально вывести грубый численный метод, кото-
рый предсказал бы, сколько мы способны прожить.

Интересное исследование было проведено в Институте
Сенгера в английском Кембридже. Если старение связано
с генетическими повреждениями, то можно спрогнози-
ровать, что чем больше у животного повреждений, тем
меньше будет продолжительность его жизни. Разумеется,
кембриджские ученые, исследовав 16 видов животных, об-
наружили именно эту зависимость: чем больше генетиче-
ский ущерб, тем короче жизнь.

Они заметили интересную корреляцию между совер-
шенно непохожими животными. Крохотный голый земле-
коп переносит 93 мутации в год и может жить до 25-30 лет.
При этом гигантский жираф за свою 24-летнюю жизнь пе-
реносит по 99 мутаций в год. Если перемножить эти числа,
получится всего 2325 мутаций для землекопа и 2376 для жи-
рафа — очень похожие числа. Хотя эти два млекопитающих
значительно отличаются друг от друга, за всю жизнь у тех
и других набирается примерно одинаковое число мутаций.

Это дает нам формулу, по которой можно приблизи-
тельно предсказать продолжительность жизни человека,
проанализировав данные о многих видах животных. При
анализе мышей получилось, что их 793 мутации в год
за 3,7 года дадут 2934,1 мутации.

Анализировать данные для человека несколько слож-
нее, поскольку они различаются в зависимости от культуры
и места жительства. Считается, что у человека происходит
47 мутаций в год. Большинство млекопитающих в сред-
нем за жизнь успевает накопить 3200 мутаций. Это может
означать на первый взгляд, что продолжительность жизни
человека должна составлять около 70 лет. (При некоторых
допущениях можно получить также продолжительность
жизни около 8о лет.)

Результаты этого простого расчета довольно примеча-
тельны. Они указывают на роль генетических ошибок в на-
шей ДНК и клетках как одной из главных сил старения
и будущей смерти.

До сих пор все эти исследования проводились на жи-
вотных в дикой природе, в естественной среде обитания.
Но что происходит, когда мы помещаем животных в дру-
гие условия? Можно ли изменить продолжительность их
жизни?

Ответ, судя по всему, положительный.

Перезапуск биологических часов

Не исключено, что, используя медицинское вмешатель-
ство (к примеру, генную инженерию или изменение образа
жизни), можно будет повысить продолжительность жизни
человека, откорректировав ущерб, причиненный вторым
законом термодинамики.

Вариантов существует несколько. Один из них заклю-
чается в перезапуске биологических часов. Когда клетка
делится, ее хромосомы становятся чуть короче. Если гово-
рить о клетках кожи, то примерно после 6о циклов деления
клетка начинает стареть, что называют также дряхлением,
и в конечном итоге умирает. Это число известно как предел
Хейфлика. Так выглядит одна из причин гибели клеток —
в них есть встроенные часы, которые в соответствующий
момент и отдают им эту команду.

Однажды я брал у Леонарда Хейфлика интервью о его
знаменитом пределе. Он, однако, был осторожен и гово-
рил, что некоторые могут сделать слишком далеко идущие
выводы по поводу этих биологических часов. Мы только
начинаем, сказал он мне, разбираться в процессе старения.
Он очень сожалел, что биогеронтологии — науке о старе-
нии — приходится бороться с таким количеством заблу-
ждений в общественном сознании, особенно с постоянно
меняющейся модой на очередные диеты.

Предел Хейфлика связан с тем, что на концах хромо-
сом имеются особые хвостики, известные как теломеры,
которые укорачиваются с каждым актом деления клетки.
Но, как это бывает у шнурков, после долгого использования
наконечники изнашиваются и шнурок начинает трепаться.
Приблизительно после 6о копирований теломеры снашива-
ются, хромосома начинает трепаться, клетка вступает в пе-
риод дряхлости и в конце концов умирает.

Но можно и «остановить часы». Существует фермент под
названием теломераза, способный предотвратить укорачи-
вание теломеров. На первый взгляд кажется, что это и есть
лекарство от старения. И действительно, ученые сумели
применить теломеразу к клеткам человеческой кожи, так
что те делились не по 6о, а по нескольку сот раз. Это ис-
следование позволило нам «обессмертить» по крайней мере
одну форму жизни.

Но с этим связаны и опасности. Оказывается, раковые
клетки тоже используют теломеразу для достижения бес-
смертия. Мало того, присутствие теломеразы фиксируется
в 90% всех опухолей человека. Нужно быть очень осторож-
ными при манипуляциях с теломерами в организме, чтобы
случайно не превратить здоровые клетки в раковые.

Так что, если нам когда-нибудь удастся обнаружить ис-
точник вечной молодости, одной из составляющих реше-
ния, возможно, окажется теломераза, но только если мы
научимся бороться с ее побочными эффектами. Не исклю-
чено, что квантовые компьютеры помогут нам найти ответ
на вопрос, как, используя теломеразу, сделать клетку бес-
смертной, но не раковой. Когда этот молекулярный меха-
низм будет найден, можно будет модифицировать клетку
так, чтобы увеличить продолжительность ее жизни.

Ограничение калорийности

Несмотря на все шарлатанские снадобья и методы, предла-
гавшиеся на протяжении веков для продления жизни, один
метод прошел испытание временем и, кажется, срабатывает
всегда. Единственный доказанный способ продлить жизнь
животного состоит в том, чтобы ограничить калорийность
его рациона. Иными словами, если съедать на 30% меньше
калорий, можно прожить, грубо говоря, на 30% дольше,
в зависимости от того, о каком животном идет речь. Это
общее правило проверено на множестве самых разных био-
логических видов, от насекомых, мышей, собак и кошек
до человекообразных обезьян. Животные, потребляющие
меньше калорий, живут дольше, чем их сородичи, которые
ни в чем себе не отказывают. Они меньше болеют и реже
страдают от проблем преклонного возраста, таких как рак
и артериосклероз.

Хотя все это было проверено на самых разных пред-
ставителях животного царства, один биологический вид
до сих пор не анализировался систематически в этом от-
ношении: вид Homo sapiens. (Вероятно, потому, что мы жи-
вем слишком долго и не согласились бы на спартанскую
диету, настолько скудную, что даже отшельник остался бы
голодным.) Никто не знает в точности, почему это рабо-
тает, но по одной из теорий такой режим питания снижает
скорость окисления и таким образом замедляет процесс
старения.
Экспериментальный результат, подтверждающий на
первый взгляд эту теорию, получен в работах с червями,
такими как С. elegans. Если червя генетически изменить та-
ким образом, чтобы снизить ему скорость окисления, про-
должительность его жизни можно увеличить многократно.
Вообще-то, ученые дали некоторым из соответствующих
генов говорящие названия, такие как Age-i и Age-2. Судя
по всему, снижение скорости окисления помогает клеткам
восстанавливать повреждения. Поэтому представляется ра-
зумным, что ограничение калорийности работает через сни-
жение скорости окисления в организме, что уменьшает на-
копление ошибок.

Но один вопрос остается открытым: почему некото-
рые животные изначально придерживаются ограничен-
ного по калорийности рациона? Неужели они сознательно
меньше едят, чтобы жить дольше? (По одной из теорий,
у животных в естественном состоянии есть два варианта.
С одной стороны, они могут размножаться и заводить по-
томство. Но для этого требуется надежный и обильный ис-
точник пропитания, каковые встречаются редко. С другой
стороны, чаще бывает так, что животные в большинстве
своем живут впроголодь, постоянно заняты охотой или по-
иском пищи. Поэтому в тощие времена — а они случаются
куда чаще, чем тучные, — животные в ходе эволюции вы-
работали в себе инстинктивную способность есть меньше
и жить дольше, чтобы дождаться времени, когда пищи бу-
дет много и они смогут заняться размножением.)

Ученые, занимавшиеся исследованием ограничения ка-
лорийности, считают, что этот механизм, возможно, ра-
ботает посредством химического вещества ресвератрол,
которое, в свою очередь, производится геном под назва-
нием сиртуин. Ресвератрол обнаружен в красном вине. (Все
это породило своеобразный мини-бум вокруг ресвератрола
и красного вина, но до сих пор окончательно не установ-
лено, действительно ли ресвератрол может увеличить про-
должительность человеческой жизни.)

Исследования, проведенные в 2022 г. в Йельском уни-
верситете, возможно, разрешили наконец отчасти загадку
о том, почему на самом деле работает ограничение кало-
рийности. Ученые сосредоточили свои усилия на вилочко-
вой железе, которая располагается между легкими и произ-
водит Т-лимфоциты — важного игрока среди лейкоцитов,
помогающего организму защищаться от болезней. Исследо-
ватели обратили внимание на то, что Т-лимфоциты из ви-
лочковой железы стареют быстрее, чем обычные Т-лей-
коциты. К 40 годам, к примеру, 70% вилочковой железы
уже не функционирует, превратившись в жир. Вишва Дип
Диксит, один из главных авторов статьи на эту тему, утвер-
ждает: «С возрастом мы начинаем ощущать отсутствие но-
вых Т-лейкоцитов, поскольку те, что у нас остались, плохо
справляются с новыми патогенами. Это одна из причин,
по которым любая болезнь для пожилых представляет боль-
ший риск»1. Если так, это объясняет, почему пожилые люди
больше подвержены старению и смерти.

Учитывая этот результат, исследователи провели еще
один эксперимент, в ходе которого группа людей питалась
с ограничением калорийности на протяжении двух лет.
После этого они с удивлением обнаружили, что у людей
из этой группы в вилочковой железе было меньше жира
и больше функционирующих клеток. Это замечательный
результат.

Диксит добавляет: «Тот факт, что этот орган можно омо-
лодить, на мой взгляд, поразителен, поскольку данных о по-
добных процессах у людей очень мало. То, что это вообще
возможно, вдохновляет».

Группа из Йеля начала осознавать, что наткнулась
на что-то весьма важное. Далее, им необходимо было ра-
зобраться с глубинной причиной: как на молекулярном
уровне ограничение калорийности разгоняет иммунную
систему?

В конечном итоге их взгляды сошлись на белке под на-
званием PLA2G7, который задействован в воспалении —
еще одном феномене, связанном со старением. «Наши ре-
зультаты показывают, что PLA2G7 — одна из движущих
сил, реализующих эффекты ограничения калорийности.
Распознавание этих движущих сил помогает понять, как
система обмена веществ и иммунная система общаются
между собой, а это может указать нам на потенциальные
мишени, способные усилить иммунную функцию, умень-
шить воспаление и потенциально даже увеличить продол-
жительность здоровой жизни», — заявляет Диксит.

Следующим шагом должно стать использование кван-
товых компьютеров для выяснения того, как на молекуляр-
ном уровне этот белок уменьшает воспаление и сдерживает
процесс старения. Разобравшись в этом процессе, мы, веро-
ятно, сможем манипулировать PLA2G7 и пожинать плоды
ограничения калорийности, не заставляя при этом себя си-
деть на строгой диете.

В заключение Диксит говорит, что его исследование
задействованных в этом процессе белков и генов способно
изменить подход к изучению процесса старения. Он делает
вывод: «Думаю, это внушает надежду».

Ключ к старению — починка ДНК

Но это ставит перед нами еще один вопрос: как ограниче-
ние калорийности питания исправляет молекулярные на-
рушения, вызванные окислением? Возможно, ограничение
калорийности работает за счет замедления процесса окис-
ления, что дает организму возможность исправить нанесен-
ный им вред естественным образом, но как вообще орга-
низм исправляет поврежденную ДНК?

Это изучается в Университете Рочестера, где ученые пы-
таются понять, можно ли разобраться в механизме починки
ДНК на примере животного царства. Если конкретнее,
то способны ли механизмы починки ДНК объяснить, по-
чему одни животные живут дольше других? Существует ли
генетический источник вечной молодости?

Исследователи проанализировали продолжительность
жизни 18 видов грызунов и обнаружили кое-что интерес-
ное. Мыши живут всего 2-3 года, но бобры и голые земле-
копы доживают до поразительного возраста в 25-30 лет. Ги-
потеза ученых состоит в том, что долгоживущие грызуны
имеют более мощный механизм восстановления ДНК, чем
маложивущие.

Изучая это явление, исследователи сосредоточили свое
внимание на гене sirtuin-б, который задействован в починке
ДНК; иногда его даже называют «геном долголетия». Выяс-
нилось, что не все белки sirtuin-б одинаковы. Существует
пять различных типов белков, создаваемых геном sirtuin-6,
и у каждого из них свой уровень активности. Ученые также
обратили внимание, что у бобров имеются белки sirtuin-6,
которые прочнее тех, что производят крысы (но не голые
землекопы). Это, утверждают ученые, возможно, и есть
причина, по которой бобры живут дольше.

Чтобы доказать эту гипотезу, ученые вводили различ-
ные белки sirtuin-б разным животным, чтобы посмотреть,
как это подействует на продолжительность их жизни. Пло-
довые мушки, которым ввели белок sirtuin-б бобра, жили
дольше, чем такие же мушки с белком крысы.

При введении этого белка в человеческие клетки об-
наружился сходный эффект. В клетках, получавших белок
sirtuin-б бобра, наблюдалось меньше повреждений ДНК,
чем в клетках с белком крысы. Вера Горбунова, один из ис-
следователей, замечает: «Если болезни случаются из-за ДНК,
которая разрушается с возрастом, мы можем при помощи
подобных исследований наметить вмешательства, способ-
ные задержать рак и другие дегенеративные заболевания»2.

Это важно, поскольку ремонт поврежденной ДНК, кото-
рый, возможно, управляется генами типа sirtuin-б, может
оказаться ключом к тому, чтобы обратить процесс старе-
ния вспять. Тогда при помощи квантовых компьютеров мы
определим в точности, как sirtuin-б умудряется усиливать
механизмы восстановления ДНК на молекулярном уровне.

Разобравшись в этом процессе, мы, скорее всего, сумеем
найти способы ускорить его или обнаружить новые моле-
кулярные пути, способные стимулировать механизмы вос-
становления ДНК. Так что, если повреждение ДНК — один
из движителей процесса старения, жизненно важно разо-
браться при помощи квантовых компьютеров, как можно
обратить этот процесс вспять на молекулярном уровне.

Перепрограммирование клеток
на молодость

Опасность в том, что вокруг вопроса о продлении жизни все-
гда очень много шарлатанства. Всегда находилось какое-то
модное снадобье: новейший витамин, травы или «чудодей-
ственное средство». Но существует одна серьезная органи-
зация, о которой в последнее время много говорят в связи
с процессом старения.

Российский миллиардер Юрий Мильнер, сколотивший
себе состояние на Facebook* и mail.ru, собрал группу из луч-

* Деятельность Meta Platforms Inc. (в том числе по реализации соцсетей
Facebook и Instagram) запрещена в Российской Федерации как экстре-
мистская.
ших ученых, чтобы они занялись вопросом старения. Он
хорошо известен в Кремниевой долине тем, что ежегодно
выделяет з млн долларов на «Премию за прорыв» для вы-
дающихся физиков, биологов и математиков.

В настоящее время его внимание сосредоточено на но-
вой группе Altos Labs, которая намерена, если получится,
использовать метод «перепрограммирования» для омоло-
жения стареющих клеток. Среди богатых инвесторов, вы-
строившихся в очередь, чтобы поддержать Altos, отметился
даже Джефф Безос. Если верить одной из статей, опубли-
кованной Altos, эта только что «вылупившаяся» компания
уже собрала 270 млн долларов.

Согласно издаваемому МТИ журналу Technology Review,
идея здесь в том, чтобы перепрограммировать ДНК старе-
ющих клеток таким образом, чтобы они вернулись к сво-
ему прежнему состоянию. Этот метод экспериментально
проверил нобелевский лауреат из Японии Синъя Яма-
нака, который возглавит научный консультативный совет
Altos.

Яманака — один из мировых авторитетов в области
стволовых клеток, из которых рождаются все клетки.
Стволовые клетки эмбриона обладают тем замечательным
качеством, что могут превращаться в любые клетки че-
ловеческого организма. Яманака же нашел способ пере-
программировать взрослые клетки так, чтобы они возвра-
тились в эмбриональное состояние и могли в принципе
создавать совершенно новые органы «с нуля».

Ключевой вопрос: можно ли перепрограммировать ста-
реющую клетку так, чтобы она вновь стала молодой? Ин-
терес к работе Altos подогревается тем фактом, что ответ
на этот вопрос, судя по всему, должен быть положитель-
ным при определенных обстоятельствах: есть четыре белка
(их теперь называют факторами Яманаки), которые спо-
собны осуществлять процесс перепрограммирования.
В каком-то смысле перепрограммирование стареющих
клеток — дело обычное. Представьте, как мать-природа бе-
рет клетки взрослого и перепрограммирует их так, что они
становятся стволовыми клетками эмбриона. Так что само
по себе перепрограммирование не фантастика; это факт
из жизни. Процесс омоложения происходит в каждом по-
колении при зачатии.

Неудивительно, что множество стартапов — они всегда
ищут самые перспективные направления — бросились зани-
маться этой темой; среди самых известных можно назвать
Life Biosciences, Turn Biotechnologies, AgeX Therapeutics
и Shift Bioscience. «Если вы видите вдалеке нечто похожее
на гигантскую гору золота, вам надо бежать, и быстро»3, —
говорит Мартин Борч Дженсен из Gordian Biotechnology.
Мало того, он дает 20 млн долларов на ускорение иссле-
дований.

Профессор из Гарварда Дэвид Синклер заявил: «Инве-
сторы собирают сотни миллионов долларов и вкладывают
их в перепрограммирование, нацеленное именно на омоло-
жение частей человеческого тела или организма в целом»4.
Синклер сумел при помощи метода перепрограммирования
клеток восстановить зрение мышам. Он добавляет: «Мы в
лаборатории проверяем все основные органы и ткани,
к примеру кожу, мышцы и мозг, чтобы посмотреть, что
мы сможем омолодить».

Алехандро Окампо из Университета Лозанны в Швей-
царии говорит: «Мы в состоянии взять клетку у 8о-летнего
человека и в пробирке омолодить ее до 40 лет. Не суще-
ствует другой технологии, способной на это»5.

Независимая группа ученых в Висконсинском уни-
верситете в Мэдисоне взяла образцы синовиальной жид-
кости (густая жидкость, обнаруживаемая в суставах), ко-
торая содержит стволовые клетки определенного типа,
называемые МСК (мезенхимальные стволовые/стро-
мальные клетки). Ранее было известно, что такие клетки
можно перепрограммировать, чтобы они стали моложе.
Но способ, которым производится такое омоложение,
неизвестен.

Ученые сумели заполнить многие белые пятна в описа-
нии этого процесса. МСК-клетки были превращены в ин-
дуцированные плюрипотентные стволовые клетки (иПСК),
а затем обратно в МСК. После этого цикла выяснилось, что
вновь полученные МСК-клетки омолодились. Что самое
главное — исследователям удалось распознать конкретный
химический путь, который прошли клетки в этом цикле.
В процессе была задействована целая серия белков под на-
званиями GATA6, SHH и FOXP.

Это замечательное достижение, которое прежде счита-
лось невозможным. Так что ученые начинают понимать, как
стареющие клетки могут вновь стать молодыми.

Но есть причина, чтобы в этом деле быть осторожными.
Ранее мы видели, что методы задержки старения или раз-
ворота его вспять сопряжены с такими побочными эффек-
тами, как рак. Эстроген может сохранить фертильность
женщины на много лет вплоть до менопаузы, но рак —
один из возможных побочных эффектов этого гормона.
Аналогично теломераза может остановить старение клетки,
но и она вносит дополнительный риск раковых заболева-
ний.

Одной из опасностей перепрограммирования клеток
также является рак. Исследования надо вести очень осто-
рожно, чтобы пагубные побочные эффекты не вмешались
в процесс. Видимо, здесь должны помочь квантовые ком-
пьютеры. Во-первых, они способны разобраться в процессе
омоложения на молекулярном уровне и раскрыть секреты
зародышевых стволовых клеток. Во-вторых, используя их,
нам удастся как-то контролировать некоторые побочные
эффекты этого процесса, в частности рак.
Магазин человеческих запчастей

Еще один эксперимент подогрел интерес к клеточному омо-
ложению.

В первоначальном подходе Яманаки клетки кожи под-
вергались воздействию четырех факторов Яманаки в те-
чение 40 суток, и целью было вернуть клетки к эмбрио-
нальному состоянию. Но ученые Института Бабрэма
в английском Кембридже ограничили срок воздействия
13 сутками, а затем позволили клеткам расти как обычно.

Исходные клетки кожи для эксперимента были взяты
у женщины 53 лет. В результате же потрясенные ученые об-
наружили, что обновленные клетки выглядят и ведут себя
так, будто взяты у 23-летнего человека.

«Я помню тот день, когда были получены результаты,
и не мог до конца поверить, что некоторые клетки теперь
на 30 лет моложе... Это был очень радостный день»6, —
комментировал Дилджит Гилл, один из проводивших экс-
перимент ученых.

Это сенсационный результат. Если он подтвердится, это,
судя по всему, будет единственный раз в истории медицины,
когда ученым удалось омолодить стареющие клетки, так что
в результате они вели себя так, будто были моложе на не-
сколько десятков лет.

Однако ученые, участвовавшие в эксперименте, не забыли
упомянуть возможные побочные эффекты. Из-за серьезных
генетических изменений, связанных с омоложением, — а это
характерно для многих перспективных методов — одним
из возможных последствий его применения остается рак. Так
что этот подход следует изучать очень осторожно.

Но существует и другой способ создания молодых орга-
нов, без опасности приобрести рак: это тканевая инжене-
рия. С ее помощью ученые буквально строят части чело-
веческого тела с нуля.
Тканевая инженерия

Если взрослая клетка возвращается к эмбриональному со-
стоянию, она действительно омолаживается, но происходит
это только на клеточном уровне. Это означает, что невоз-
можно омолодить все тело и жить вечно. И значит лишь
то, что некоторые клеточные линии становятся бессмерт-
ными, так что реально восстановить какие-то конкретные
органы, но не весь организм.

Одна из причин этого в том, что стволовые клетки, бу-
дучи предоставлены самим себе, иногда образуют бесфор-
менную массу случайной ткани. Стволовым клеткам часто
нужны указания от соседних клеток, чтобы расти правильно
и последовательно, создавая в итоге орган.

Решением этой проблемы становится тканевая инже-
нерия — помещение стволовых клеток в некую матрицу,
чтобы они росли упорядоченно.

Пионерами этой технологии стали Энтони Атала
из Университета Уэйк-Форест в Северной Каролине и дру-
гие ученые. Мне выпала честь взять у Аталы интервью
для телеканала Би-би-си. Осматривая его лабораторию,
я с изумлением увидел там большие банки с человече-
скими органами, такими как печень, почки и сердце. То-
гда я почувствовал себя так, будто попал в какое-то научно-
фантастическое кино.

Я спросил, как проходят его исследования. Он рассказал,
что сначала изготавливает специальную матрицу из кро-
хотных пластиковых волокон в форме того органа, кото-
рый хочет вырастить. Затем засевает эту матрицу стволо-
выми клетками, взятыми у пациента. Далее он воздействует
на клетки целым коктейлем факторов роста, чтобы их про-
стимулировать. Клетки начинают прорастать в волокна ма-
трицы. Со временем матрица, которая является биоразла-
гаемой, исчезает и оставляет после себя почти идеальную
копию органа. Затем искусственный орган помещают в тело
пациента, где он начинает функционировать. Поскольку все
клетки получены из собственной ткани пациента, механизм
отторжения не включается — а именно он является одной
из главных проблем трансплантации органов. Нет также
опасности возникновения рака, поскольку здесь не нужно
манипулировать тонкой генетикой внутри клетки.

Атала рассказал мне, что большинство органов, кото-
рые удалось получить, состоит всего из нескольких типов
клеток. Среди таких органов кожа, кость, хрящ, кровенос-
ные сосуды, мочевой пузырь, сердечные клапаны и тра-
хея. Печень сложнее, как он утверждает, поскольку со-
стоит из нескольких типов клеток. А почка, включающая
в себя сотни крохотных трубочек и фильтров, пока только
в проекте.

Его подход можно совместить и со стволовыми клет-
ками, так что когда-нибудь, возможно, мы будем регене-
рировать целые органы нашего тела по мере их износа.
К примеру, так как смертность от сердечно-сосудистых за-
болеваний в США занимает первое место, когда-нибудь,
возможно, ученые в лаборатории вырастят целое сердце.
Мы как бы создадим «магазин человеческих запчастей».

Другие группы экспериментируют с ЗЭ-печатью как ме-
тодом создания человеческих органов. Точно так же, как
компьютерный принтер формирует изображение из кро-
хотных капелек чернил, его можно модифицировать так,
чтобы он выстреливал отдельными клетками человеческого
сердца, создавая таким образом сердечную ткань, клетка
за клеткой. Если мы научимся при помощи клеточного омо-
ложения получать молодые клеточные линии, то тканевая
инженерия даст нам возможность выращивать из стволо-
вых клеток любой орган тела, например сердце.

Таким образом мы избежим проблемы, с которой столк-
нулся Тифон.
Роль квантовых компьютеров

Квантовым компьютерам, возможно, суждено оказать не-
посредственное влияние на все эти проекты. В недалеком
будущем геном большинства людей на Земле будет секве-
нирован и включен в гигантский всемирный генный банк.
Этот громадный склад генетической информации, скорее
всего, перегрузит любой традиционный цифровой ком-
пьютер, но анализ невероятного количества данных — это
именно то, в чем квантовые компьютеры особенно хороши.
Возможно, это позволит ученым выделить гены, связанные
с процессом старения.

К примеру, уже сейчас ученые могут анализировать гены
молодых и пожилых людей и сравнивать их. Таким способом
удалось распознать около юо генов, в которых, судя по всему,
сосредоточен процесс старения. Оказывается, многие из этих
генов задействованы также в процессе окисления. В будущем
квантовые компьютеры смогут анализировать намного более
масштабные массивы генетических данных. Это позволит по-
нять, где накапливается больше всего генетических и клеточ-
ных ошибок, а также какие гены на самом деле управляют
разными аспектами процесса старения.

Не исключено, что квантовые компьютеры смогут
не только выделить те гены, где по большей части проис-
ходит процесс старения, но и сделать обратное: выделить
гены, которые обнаруживаются у очень пожилых, но здо-
ровых людей. Демографы знают, что существуют люди, ко-
торым, кажется, удалось обмануть судьбу и вести здоровую
активную жизнь намного дольше, чем ожидалось. Так что
квантовые компьютеры, анализируя массу необработанной
информации, вероятно, сумеют отыскать гены, которые ука-
зывают на исключительно здоровую иммунную систему
и позволяют людям доживать до глубокой старости, избе-
гая при этом болезней, которые могли бы этому помешать.
Конечно, существуют также люди, которые стареют так
быстро, что умирают от старости еще детьми. Такие бо-
лезни, как синдромы Вернера и Гетчинсона — Гилфорда, —
настоящий кошмар, при котором дети умирают практиче-
ски у вас на глазах. Они редко доживают до 30, а тем более
до 40 лет. Исследования показали, что, помимо других про-
блем, у них короткие теломеры, которые, возможно, отча-
сти отвечают за ускоренное старение. (По тому же прин-
ципу исследования на евреях-ашкенази показали обратное:
долгожители обладают гиперактивным вариантом теломе-
разы, чем, скорее всего, и объясняется их долгая жизнь.)

Более того, анализы людей, перешагнувших столетний
рубеж, показывают, что у них наблюдается значительно бо-
лее высокий уровень белка, отвечающего за ремонт ДНК
и называемого поли (АДФ-рибоза)-полимераза (PARP), чем
у более молодых людей в возрасте от 20 до 70 лет. Это ука-
зывает, что долгоживущие индивиды обладают более силь-
ными механизмами восстановления ДНК, способными ком-
пенсировать генетические повреждения, и потому живут
дольше. Клетки столетних долгожителей также напоми-
нают клетки, взятые у гораздо более молодых людей, что
указывает на замедление их старения. Этим, в свою оче-
редь, вероятно, объясняется такой любопытный факт: те,
кто дожил до 8о, живут до 90 и дольше с вероятностью,
превышающей нормальную. Видимо, дело в том, что люди
со слабой иммунной системой умирают, не дожив до 8о, так
что те, кто доживает, обладают более сильными механиз-
мами восстановления ДНК, что может продлить им жизнь
до 90 и далее.

Итак, квантовые компьютеры очевидно помогут нам
выделить ключевые гены в нескольких категориях:

•	У пожилых людей, исключительно здоровых для
своего возраста.
•	У тех, чья иммунная система способна защитить ор-
ганизм от обычных болезней, продлевая таким обра-
зом жизнь.

•	У тех, в генах которых накопились ошибки, ускорив-
шие их старение.

•	У тех, кто значительно отклоняется от нормы, к при-
меру необычайно быстро стареет из-за таких болез-
ней, как синдромы Вернера и Гетчинсона — Гилфорда.

Когда гены, связанные со старением, будут выделены, нам
удастся отредактировать многие из них при помощи CRISPR.
Наша цель — исправить те гены, в которых в основном и про-
исходит старение, выяснив при помощи квантовых компью-
теров конкретные молекулярные механизмы этого процесса.

Когда-нибудь будет разработан комплекс различных ле-
карств и методов лечения, способный замедлить старение,
а может быть, даже обратить его вспять. Не исключено, что
совокупный эффект различных медицинских вмешательств,
действующих совместно, повернет стрелки времени назад.

Ключ в том, что квантовые компьютеры будут способны
атаковать процесс старения именно там, где он происходит:
на молекулярном уровне.

Цифровое бессмертие

Помимо биологического бессмертия существует вполне ре-
альная возможность, что при помощи квантовых компью-
теров нам удастся достичь цифрового бессмертия.

Большинство наших предков жили и умирали, не оста-
вив никакого следа своего существования. Возможно, где-то
в церковных или храмовых записях есть строчка, которая
документально свидетельствует, когда тот или иной наш
предок родился, — и еще одна, говорящая о том, когда
умер. Вполне вероятно, где-то на заброшенном кладбище
есть надгробие с его именем.

И больше ничего.

Целая жизнь, полная переживаний и дорогих воспоми-
наний, свелась к двум строчкам в книге и камню с надпи-
сью. Те, кто пытается проследить свою родословную при по-
мощи ДНК, часто обнаруживают, что след пропадает очень
быстро — в пределах юо лет. Вся семейная история обра-
щается в прах через одно-два поколения.

Но сегодня все мы оставляем за собой заметный ци-
фровой след. Одних транзакций по кредитной карте до-
статочно, чтобы получить довольно полное представле-
ние о нашей истории и личности, о наших предпочтениях,
о том, что нам нравится и что не нравится. Каждая по-
купка, поездка на отдых, спортивное событие или подарок
зарегистрированы в каком-нибудь компьютере. Мы этого
не осознаем, но наш цифровой след создает довольно до-
стоверный образ. В будущем вся эта информация позволит
воспроизвести нашу личность в цифровом виде.

Уже идут разговоры о воскрешении исторических лич-
ностей и известных людей посредством оцифровки, что
сделает их доступными широкой публике. Сегодня вы мо-
жете пойти в библиотеку и посмотреть биографию Уин-
стона Черчилля. В будущем вы, скорее всего, вместо этого
и поговорите с ним. Все его письма, мемуары, биографии,
интервью и т. п. будут оцифрованы и сделаны доступными.
Вы сможете пообщаться с голографическим изображением
покойного премьер-министра и провести приятный вечер
за откровенной беседой с этим человеком.

Лично я с большим удовольствием пообщался бы
с Эйнштейном, чтобы расспросить его о целях, которые
он перед собой ставил, о его достижениях и о философии
науки. Как бы он воспринял то, что его теории преврати-
лись в важнейшие научные дисциплины, такие как Боль-
шой взрыв, черные дыры, гравитационные волны, единая
теория поля и многие другие? Что бы подумал о совре-
менном развитии квантовой теории? Он оставил после
себя необычайно большую коллекцию писем и личной
корреспонденции, раскрывающую его подлинный харак-
тер и мысли.

Со временем обычный человек тоже сможет достичь
цифрового бессмертия. В 2021 г. Уильям Шатнер, звезда
телесериала «Звездный путь», уже достиг своеобразного ци-
фрового бессмертия. Его посадили перед камерой и на про-
тяжении четырех дней задавали сотни личных вопросов
о жизни, о его целях и философии. Затем компьютерная
программа проанализировала всю массу материала и упо-
рядочила информацию хронологически, по темам, месту
действия и т. п. В будущем вы смогли бы задавать личные
вопросы непосредственно этому оцифрованному Шатнеру,
а он отвечал бы вам осмысленно и разумно, как если бы сам
актер сидел у вас в гостиной и с вами общался.

В будущем человеку не потребуется сидеть перед теле-
камерой, чтобы быть оцифрованным. Мы сами без всякой
задней мысли, не задумываясь, пользуемся камерой в на-
шем сотовом телефоне, чтобы записывать свои повседнев-
ные действия и свою жизнь. Многие подростки уже остав-
ляют за собой громадный цифровой след, документируя
свои розыгрыши, шутки и проделки (некоторые из них мо-
гут жить в интернете вечно).

Обычно мы думаем о своей жизни как о серии случай-
ностей, совпадений и отдельных переживаний. Но с разви-
тием ИИ мы когда-нибудь будем редактировать сокровищ-
ницу своих воспоминаний и упорядочивать их так, как нам
захочется. А квантовые компьютеры помогут разобраться
в этом материале, восстанавливая фон при помощи поис-
ковиков и исправляя повествование.
В каком-то смысле наши цифровые личности никогда
не умрут.

Так что наше наследие — дорогие воспоминания и лич-
ные достижения — уже не будут рассыпаться и исчезать под
песками времени после нашего ухода. Возможно, кванто-
вые компьютеры сумеют дать нам некую форму бессмертия.

Подведем итог. В настоящее время ученые начинают ви-
деть некоторые направления, которые приведут нас к про-
длению человеческой жизни. Однако до сих пор остается
загадкой, как все эти механизмы работают на молекуляр-
ном уровне. К примеру, как могут определенные белки
ускорять молекулярное восстановление ДНК? Квантовые
компьютеры, вероятно, сыграют здесь решающую роль, по-
скольку только квантовая система способна до конца объ-
яснить другую квантовую систему, такую как молекулярные
взаимодействия. Когда механизмы таких процессов, как
восстановление ДНК, станут известны в точности, скорее
всего, удастся так их модифицировать, чтобы задержать
или даже остановить процесс старения.

Не исключено также, что квантовые компьютеры дадут
нам возможность жить вечно в цифровом варианте. В со-
четании с искусственным интеллектом мы, вероятно, со-
здадим цифровую копию себя самих, которая будет точно
отражать нашу суть. Уже предпринимаются шаги в направ-
лении отладки этого процесса.

Но следующим рубежом для квантовых компьютеров
станет не просто применение квантовой механики к вну-
треннему пространству нашего организма, но применение
квантовых компьютеров к внешнему миру, для решения
насущных проблем, таких как глобальное потепление, ис-
пользование солнечной энергии и расшифровка тайн окру-
жающего нас мира. Следующая цель для квантовых ком-
пьютеров — разгадать тайны Вселенной.

ЧАСТЬ IV

МОДЕЛИРОВАНИЕ
МИРА
И ВСЕЛЕННОЙ

ГЛАВА 14

ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ

Когда-то мне пришлось читать лекцию в Универси-
тете Рейкьявика, столицы Исландии.

На подлете к аэропорту я посмотрел в иллюми-
натор самолета и увидел пустынный вулканический ланд-
шафт, почти лишенный растительности. Казалось, я пере-
несся во времени и попал в далекое прошлое. Местность
вокруг аэропорта была настолько пустынной, что казалась
идеальной площадкой, где можно заглянуть на миллионы
лет в прошлое.

Позже мне устроили экскурсию по университетскому
городку, где я с большим интересом познакомился с иссле-
дованиями ледяных кернов, по которым иногда оценивают,
как менялись погодные условия на протяжении тысяч лет.

Эта лаборатория располагалась в большом помещении,
которое напоминало громадный морозильник и в котором
было так же холодно. На столе были выложены несколько
длинных металлических стержней. Каждый имел около
3,5 см в диаметре и несколько метров в длину. В каждом
из них содержался образец льда — керн, взятый из ледя-
ных глубин.

Некоторые стержни были открыты, и внутри можно
было видеть длинные цилиндры белого льда. Мурашки про-
бежали по спине, когда понял, что вижу перед собой снег,
выпавший в Арктике тысячи лет назад. Передо мной была
капсула времени, образовавшаяся задолго до начала пись-
менной истории человечества.

Внимательно всмотревшись в ледяные керны, я заме-
тил на них серию тонких коричневых горизонтальных по-
лосок. Ученые пояснили, что каждая полоска — слой сажи
и пепла, выброшенных при извержениях древних вулканов.

Измерив промежутки между полосками, можно опре-
делить их возраст, сравнивая с датами известных вулкани-
ческих извержений.

Также мне рассказали, что внутри кернов встречаются
микроскопические воздушные пузырьки, по которым
можно определить состав атмосферы в определенный мо-
мент; это как бы мгновенный снимок состояния атмосферы
тысячи лет назад. Определяя химический состав заклю-
ченного в них воздуха, можно без труда установить, какое
количество СО2 содержалось в атмосфере на тот момент.

(Расчет температуры, при которой сформировался дан-
ный участок керна, более сложен и производится косвен-
ными методами. Вода состоит из водорода и кислорода
в соотношении Н2О. Но существует и более тяжелая версия
воды, где атомы 0-16 и Н-1 заменены изотопами с лишними
нейтронами, что дает 0-18 и Н-2. Более тяжелый вариант
воды в относительном тепле испаряется быстрее. Таким
образом, измерив соотношение между тяжелыми молеку-
лами воды и нормальными молекулами, можно рассчитать
температуру, при которой данный лед сформировался. Чем
больше в его составе тяжелой воды, тем холоднее было, ко-
гда выпал этот снег.)

Наконец, я увидел результаты их кропотливой, но по-
казательной работы. На графике параметры температуры
и содержания СО2 на протяжении столетий выглядели как
пара американских горок, где взлеты и падения происходят
в унисон. Очевидно, между температурой планеты и со-
держанием углекислого газа в воздухе существует тесная
и очень важная корреляция. (Сегодня при помощи ледяных
кернов можно заглянуть в прошлое еще дальше. В 2017 г.
ученые сумели добыть в Антарктиде ледяные керны возра-
стом 2,7 млн лет, что дало им возможность познакомиться
с неизвестными ранее страницами истории нашей планеты.)

Несколько моментов поразили меня при внимательном
рассмотрении этого графика. Во-первых, сразу бросаются
в глаза дикие скачки температуры. Земля кажется нам та-
кой стабильной. Но иногда нам напоминают, что это дина-
мический объект с большими колебаниями температуры
и других климатических параметров.

Во-вторых, замечаешь, что последний ледниковый пе-
риод закончился около ю ооо лет назад, когда значительная
часть Северной Америки была погребена под полукиломе-
тровым слоем сплошного льда. Но с тех пор наблюдается
постепенный прогрев атмосферы, который, собственно,
и сделал возможным развитие человеческой цивилизации.
Поскольку примерно через ю ооо лет (или около того) нас,
вероятно, ждет новый ледниковый период, получается, что
развитие цивилизации началось случайно, просто потому,
что Земля вошла в промежуток между двумя ледниковыми
периодами. Если бы не эта оттепель, мы всё еще жили бы
маленькими кочевыми группами охотников-собирателей
и бродили по льдам в отчаянном поиске хоть чего-нибудь
съедобного.

Но мой глаз выхватил не только это. Если после оконча-
ния ледникового периода ю ооо лет назад начался медлен-
ный и постепенный подъем температуры, то в последние
юо лет — с приходом промышленной революции и нача-
лом массового сжигания ископаемого топлива — наблюда-
ется резкий ее скачок.

Действительно, анализ температур по всей планете по-
казал, что 2016 и 2020 гг. стали самыми жаркими из всех
когда-либо зарегистрированных, а период с 1983 по 2012 г. —
самым жарким тридцатилетием за последние 1400 лет. Так
что текущий нагрев Земли не побочный продукт потепле-
ния, связанного с межледниковой паузой, но нечто совер-
шенно неестественное. Главный кандидат на роль его перво-
причины, помимо множества других факторов, — развитие
человеческой цивилизации.

Не исключено, что наше будущее будет зависеть от на-
шей способности предсказывать погодные закономерности
и реалистично планировать свои действия. В настоящее
время мы используем традиционные компьютеры до пре-
дела их вычислительных возможностей. Поэтому для точ-
ной оценки глобального потепления и получения «вирту-
альных сводок погоды» на возможные варианты будущего,
которые позволят нам варьировать определенные пара-
метры, чтобы посмотреть, как они влияют на климат, нам
необходимо будет обратиться к квантовым компьютерам.

Одна из таких виртуальных сводок погоды, вероятно, бу-
дет содержать ключ к будущему человеческой цивилизации.

Как пишет в Forbes Али Эль-Каафарани, «квантовые ком-
пьютеры обладают также безграничным потенциалом с эко-
логической точки зрения, и специалисты предсказывают,
что квантовое моделирование станет инструментом в до-
стижении различными странами объявленных ООН целей
устойчивого развития»1.

СО2 и глобальное потепление

Больше всего сейчас нам нужны точные оценки парнико-
вого эффекта и того, как влияет на него человеческая дея-
тельность.

Солнечный свет легко проходит сквозь атмосферу
Земли. Но после отражения от поверхности планеты он
теряет энергию и становится инфракрасным тепловым
излучением. Поскольку инфракрасное излучение не слиш-
ком хорошо проходит сквозь СО2, тепло остается на земле
и нагревает ее. В 2018 г. от сжигания ископаемого топ-
лива было получено 8о% мировой энергии, а этот процесс
выдает СО2 в качестве побочного продукта. Так что вне-
запный резкий скачок температуры в последние юо лет,
вероятно, вызван множеством факторов, но особенно на-
коплением СО2 в атмосфере в результате промышленной
революции.

Стремительный разогрев Земли в последние юо лет
подтверждается также из совершенно иного источника —
не из внутреннего пространства глубинных ледяных кер-
нов, но из космоса. С этой позиции эффекты глобального
потепления не только зримы, но и поражают воображе-
ние.

К примеру, метеорологические спутники NASA мо-
гут рассчитать полный объем энергии, получаемой Зем-
лей от Солнца. Эти спутники также способны определить,
сколько энергии Земля отдает обратно в открытый космос.
Если бы Земля пребывала в равновесии, мы видели бы,
что количество входящей и исходящей энергии примерно
одинаково. Однако, если тщательно учесть все факторы,
выясняется, что Земля поглощает больше энергии, чем воз-
вращает обратно в космос, в результате чего Земля нагрева-
ется. Если затем рассмотреть суммарное количество энер-
гии, захваченное Землей, оно получится примерно равным
энергии, которая вырабатывается в процессе деятельности
человека. Так что главный виновник ускорения разогрева
планеты в последнее время, судя по всему, — деятельность
человека.

На спутниковых фотографиях хорошо видны послед-
ствия этого потепления. Сегодняшние фотографии можно
сравнить с фотографиями, сделанными десятилетия на-
зад, и увидеть явные изменения в геологии Земли. Мы за-
мечаем, что все крупные ледники значительно отступили
за последние десятилетия.

Подводные лодки посещали Северный полюс начи-
ная с 1950-х гг. Они определили, что за последние 50 лет
лед в зимние месяцы стал вполовину тоньше, уменьшаясь
в толщине примерно на 1% в год. (Дети будущего, видимо,
будут гадать, почему их родители говорят, что Санта-Клаус
приезжает с Северного полюса, если там и льда-то уже
нет.) По мнению ученых NASA, к середине века Север-
ный Ледовитый океан летом будет полностью свободен
ото льда.

Поведение ураганов, скорее всего, тоже изменится. На-
чинаются они как мягкий тропический ветер у побережья
Африки, а затем мигрируют через Атлантический океан.
Попадая в Карибы, они ведут себя как бильярдные шары.
Прилетев под нужным углом, они могут войти в теплые
воды Мексиканского залива, где их интенсивность повы-
шается и они становятся чудовищными штормами. Сила,
частота и продолжительность ураганов, обрушивающихся
на Восточное побережье США, увеличились с 1980-х гг., ве-
роятно, из-за повышения температуры воды. Можно пред-
положить, что в будущем мы увидим ураганы еще большей
мощи и разрушительной силы.

Предсказать будущее

Компьютерные прогнозы климата Земли весьма печальны.
Уровень Мирового океана с 1880 г. увеличился на 20 см.
(Это связано с повышением температуры воды в океане,
что вызывает расширение ее общего объема.) Скорее
всего, к 21оо г. он поднимется на о,3-2,4 м. Карты мира
в 2050-100 гг. показывают разительное изменение прибреж-
ных областей.

«Подъем уровня моря, обусловленный глобальным из-
менением климата, представляет собой серьезный риск для
Соединенных Штатов сегодня, а также в ближайшие деся-
тилетия и столетия»2, — говорится в докладе NASA и NOAA
(Национальное управление по исследованию океанов и ат-
мосферы) .

Но на каждый дюйм вертикальной потери прибреж-
ные зоны могут потерять юо дюймов горизонтально, если
говорить о пригодной к использованию береговой линии.
Так что сама карта Земли мало-помалу меняется. Более
того, уровень океанов будет расти и дальше, в XXII в., из-за
огромного количества тепла, уже сейчас циркулирующего
в атмосфере. Это как минимум означает, что прибрежные
районы будут переживать масштабные наводнения, ко-
гда океанские волны начнут перехлестывать через дамбы
и барьеры.

Глава NASA Билл Нельсон так прокомментировал недав-
ний отчет NASA/NOAA о погоде: «Этот отчет поддерживает
выводы предыдущих исследований и подтверждает то, что
мы давно уже знаем: уровень моря продолжает расти с тре-
вожной скоростью, ставя под угрозу сообщества по всему
миру... Требуются безотлагательные действия по смягче-
нию климатического кризиса, который разрастается пол-
ным ходом»3.

Прибрежным городам по всему миру придется иметь
дело с подъемом воды. Венеция уже оказывается под во-
дой в определенные сезоны. Части Нового Орлеана уже
находятся ниже уровня моря. Всем прибрежным городам
придется в ближайшие десятилетия планировать какие-то
мероприятия, связанные с подъемом уровня вод: строить
шлюзы и дамбы, вводить особые налоги, создавать зоны
эвакуации, системы оповещения об ураганах и т. п.
Метан как парниковый газ

В роли парникового газа метан действует в 30 раз мощнее,
чем двуокись углерода. Существует опасность, что арктиче-
ские области Канады и России, включающие в себя обшир-
ные участки тундры, начнут оттаивать и выделять метан.

Однажды я читал лекцию в сибирском Красноярске.
Местные жители рассказали мне, что не боятся глобаль-
ного потепления, поскольку тогда они, возможно, не будут
так мерзнуть зимой. Мне также рассказали о любопытном
факте: с ростом температуры изо льда появляются громад-
ные туши мамонтов, умерших десятки тысяч лет назад.

Хотя жители Сибири, возможно, не будут возражать
против более мягкой погоды, настоящая опасность грозит
остальной части Земли, где высвобождение метана вызо-
вет неуправляемую цепную реакцию. Чем сильнее нагре-
вается Земля, тем сильнее тает тундра и тем больше выде-
ляется метана. Но этот метан, в свою очередь, еще сильнее
нагревает Землю, — и цикл повторяется. Так что чем силь-
нее тает тундра, тем сильнее греется планета. Поскольку
метан — мощный парниковый газ, это означает, что мно-
гие компьютерные модели климатического будущего, воз-
можно, на самом деле недооценивают реальные масштабы
глобального потепления.

Военные последствия

Мы видим действие глобального потепления всюду. К при-
меру, фермеры всегда идут в ногу с погодными циклами, и им
хорошо известно, что лето теперь длится примерно на не-
делю дольше, чем прежде. Это влияет на сроки сева и на то,
какие культуры они выращивают в том или ином году.
Насекомые, например комары, тоже мигрируют к се-
веру, принося с собой тропические болезни, такие как ли-
хорадка Западного Нила.

Энергия, задействованная в погодных процессах, воз-
растает, и это означает в будущем всё более жесткие по-
годные качели, а не просто плавный подъем температуры.
Так что нам следует ожидать, что лесные пожары, засухи
и наводнения будут становиться все более обычными явле-
ниями. «Штормы столетия», которые когда-то описывались
как очень редкие, но яростные события, теперь, похоже,
происходят с большей частотой. В 2022 г. на Европу и США
обрушилась необычная жара, побившая на значительной
части территории планеты все рекорды; она вызвала, по-
мимо других серьезных последствий, масштабные лесные
пожары, пересыхание озер и смертельные случаи от обез-
воживания.

К несчастью, полюса, которые оказывают на погоду
огромное влияние, греются быстрее других регионов пла-
неты. Только в Гренландии за последние 20 лет образова-
лось столько жидкой воды, что хватило бы покрыть все Со-
единенные Штаты слоем толщиной в полметра.

Тем временем в Антарктическом ледяном щите появились
подледные реки из свежерастаявшего снега. Уже очевидно,
что полюса далеко не так стабильны, как считалось ранее.

Недавний доклад NASA/NOAA сосредоточен на воз-
можном обрушении ледника Туэйтса в Антарктиде, ко-
торый уже окрестили «ледником Судного дня». «Восточ-
ный ледяной шельф с большой вероятностью расколется
на сотни айсбергов. Внезапно все рухнет»4, — говорит гля-
циолог из Университета штата Орегон Эрин Петтит.

Все это влечет за собой также геополитические и во-
енные последствия. Пентагон рассматривал когда-то наи-
худший сценарий — если глобальное потепление усилится
и выйдет из-под контроля. В нем одной из самых опасных
горячих точек становилась граница между Бангладеш и Ин-
дией. Из-за подъема уровня моря и интенсивных наводне-
ний глобальное потепление однажды вынудит миллионы
людей из Бангладеш бежать и пытаться пересечь границу
с Индией. Масса отчаявшихся людей способна легко опро-
кинуть заслоны пограничной стражи. Индийские военные
будут испытывать нарастающее давление с требованием
отбросить очередную волну беженцев, пытающихся уйти
от наступающих вод. В качестве крайней и последней меры
индийским военным, возможно, предложат защитить гра-
ницы при помощи ядерного оружия.

Конечно, это наихудший сценарий, но он наглядно ил-
люстрирует, что произойдет, если события будут разви-
ваться по нарастающей и выйдут из-под контроля.

Полярный вихрь

Некоторые указывают на чудовищные снежные бури, охва-
тившие недавно огромные территории США, и утверждают,
что угроза глобального потепления сильно преувеличена.

Но следует взглянуть на причину этой нестабильности
зимней погоды. Всякий раз, когда происходит масштаб-
ная снежная буря, погодные отчеты описывают движение
струйного течения, которое прокладывает себе извилистый
путь к югу от Аляски и Канады и приносит с собой мороз-
ную погоду.

Струйное течение, в свою очередь, следует за круже-
нием полярного вихря — узкого вращающегося цилиндра
сверххолодного воздуха с центром на Северном полюсе.
Недавние спутниковые фотографии полярного вихря по-
казывают, что он стал более нестабильным, что он мота-
ется из стороны в сторону, посылая струйный поток дальше
на юг и порождая там аномалии с холодной зимней пого-
дой.

Некоторые метеорологи указывают, что нестабильность
вихря объясняется глобальным потеплением. В нормальных
условиях полярный вихрь относительно стабилен и осо-
бенно не блуждает. Дело в том, что температурная разница
между полярным вихрем и более низкими широтами от-
носительно велика. Это повышает силу полярного вихря
и увеличивает его стабильность. Но если температура в по-
лярных областях растет быстрее, чем в регионах с более
умеренным климатом, температурная разница уменьша-
ется, понижая и силу вихря. Это, в свою очередь, выталки-
вает струйные течения дальше на юг, порождая погодные
аномалии вплоть до Техаса и Мексики.

Так что, как ни смешно, именно глобальное потепление
ответственно за некоторые морозы на юге.

Что делать?

Итак, что же нам со всем этим делать?

Можно надеяться, что возобновляемая энергия и меры
по охране окружающей среды постепенно отучат цивилиза-
цию полагаться на ископаемое топливо. Скорее всего, изо-
бретение какого-нибудь супераккумулятора позволит нам
войти в век Солнца с эффективными электромобилями.
Возможно, страны отнесутся наконец серьезно к этой про-
блеме и к середине века на сцене появится термоядерная
энергия.

Но, если ничего этого не произойдет, есть и резервный
план — попытаться решить проблему методом геоинжене-
рии. Существуют решения, которые используют в случае
развития событий по наихудшему сценарию.
1.	Связывание углерода

Самый консервативный подход — это связывание углерода,
или отделение СО2 на нефтеперерабатывающем заводе
и затем депонирование его в грунте. В малых масштабах
уже были попытки это проделывать. Еще одна идея — от-
деление СО2 и избавление от него путем смешивания его
с базальтом, находящимся в вулканических породах. Идея
достаточно серьезна, но ограничивается экономическими
соображениями. Связывание углерода стоит денег, и ком-
пания должна как-то оправдать такие вложения. Большин-
ство компаний заняли выжидательную позицию по этому
вопросу. Пока до конца не ясно, будет ли этот метод рабо-
тать и будет ли он когда-нибудь экономически жизнеспо-
собным.

2,	Модификация погоды

Когда в 1980 г. произошло извержение вулкана Сент-Хеленс,
ученые смогли подсчитать, сколько пепла было выброшено
в окружающую среду и как это повлияло на температуру
воздуха. Помутнение атмосферы в результате этого извер-
жения, очевидно, привело к отражению большей доли сол-
нечных лучей обратно в космос и вызвало эффект охла-
ждения.

Можно было бы подсчитать, сколько пылевидного ве-
щества потребовалось бы для снижения температуры в гло-
бальном масштабе.

Существуют, однако, и связанные с этим опасности.
Учитывая масштаб операции, было бы очень трудно зара-
нее провести какое-то испытание этой идеи. И даже если
вулканическое извержение снизит временно температуру
на несколько градусов, этого слишком мало, чтобы полно-
стью предотвратить надвигающуюся климатическую ката-
строфу.
3.	Разведение водорослей

Еще одна возможность — засеять океаны тем, что может
поглощать СО2. Морские водоросли, к примеру, с удоволь-
ствием потребляют железо. Кроме того, они усваивают СО2.
Таким образом, «удобрив» океаны железом, можно вызвать
размножение водорослей и обуздать таким образом СО2.
Проблема здесь в том, что мы играем с формами жизни,
которые не контролируем. Водоросли не статичны, они спо-
собны размножаться непредсказуемо. А форму жизни не-
возможно отозвать просто так, как машину с обнаружен-
ной неисправностью.

4.	Дождевые облака

Некоторые предлагают также модифицировать погоду при
помощи давно известного метода: кристаллов иодида се-
ребра. Если древние люди пытались вызвать дождь при
помощи танцев и заклинаний, то сейчас страны и воен-
ные организации делают это, распыляя в атмосфере хими-
ческие вещества. Кристаллы иодида серебра, к примеру,
могут ускорить конденсацию водяных паров и заставить
дождевые тучи разразиться грозой. Считалось, что этот
метод был разработан ЦРУ во время вьетнамской войны
как средство расстроить планы вражеских отрядов в пе-
риод муссонных дождей, затопив их убежища и заставив
выбраться наружу.

Еще один вариант этого метода называется осветле-
нием облаков; облака засеивают реагентами таким обра-
зом, чтобы отражать больше солнечной энергии.

К несчастью, все модификации погоды очень локальны
и оказывают влияние лишь на очень небольшую область,
тогда как поверхность Земли велика. Да и статистика засеи-
вания дождевых облаков не слишком хороша. Это весьма
непредсказуемый процесс.
у. Высадка деревьев

Не исключено, что можно генетически изменить растения так,
чтобы они поглощали больше СО2, чем обычно. Это, вероятно,
наиболее безопасный и разумный подход, но есть сомнения,
что таким образом удастся удалить из атмосферы достаточно
СО2 и обернуть вспять глобальное потепление на всей планете.
А поскольку лесистые области на земной поверхности контро-
лируются множеством стран и у каждой своя повестка, потре-
буется политическая воля и совместная работа многих госу-
дарств, чтобы начать реализацию столь амбициозного плана.

6.	Расчет виртуальной погоды

Учитывая громадные ставки, можно надеяться, что кванто-
вые компьютеры сумеют рассчитать наилучшую стратегию.
Важнейшая задача — свести все имеющиеся данные во-
едино, чтобы сделать прогнозы как можно более точными.

Квантовые компьютеры
и моделирование погоды

Любое компьютерное моделирование погоды начинается
с того, что поверхность Земли разбивают на небольшие ква-
драты, так называемые ячейки сетки. В 1990-е гг. компьютер-
ное моделирование начиналось с квадратной решетки, в кото-
рой сторона квадрата составляла около 500 км. С увеличением
мощности компьютеров размер квадрата сетки постоянно
уменьшается. (Для четвертого оценочного доклада IPCC5 —
Межправительственной группы экспертов по изменению кли-
мата — в 2007 г. сторона квадрата сетки составляла по км.)

Затем эти квадраты сетки расширяются в третье измере-
ние и становятся практически плоскими квадратными фиш-
ками, описывающими состояние различных слоев атмосферы.
Как правило, атмосферу по вертикали делят на десять пластин.

После того как вся поверхность Земли и атмосфера по-
делены на такие дискретные пласты, компьютер анализи-
рует параметры внутри каждого из них (влажность, осве-
щенность, температура, атмосферное давление и т.п.).
Пользуясь известными термодинамическими уравнениями
для атмосферы и энергии, рассчитывают, как температура
и влажность меняются в соседних клетках, — и так до тех
пор, пока вся поверхность Земли не будет рассмотрена.

Таким образом ученые могут дать приблизительную
оценку будущей погоды. Для проверки результаты те-
стируют при помощи так называемого ретроспективного
прогноза. Компьютерную программу «прогоняют» назад
во времени, чтобы, начиная с текущего состояния погоды,
посмотреть, может ли она определять погоду в прошлом,
когда погодные условия были точно известны.

Ретроспективный прогноз показывает, что эти компью-
терные модели, хотя и несовершенны, корректно определяют
общие паттерны погоды на прошедшие 50 лет. Но данные
здесь очень объемны и давно приближаются к максимуму,
который могут обработать обычные компьютеры. Поскольку
рано или поздно цифровые компьютеры окажутся бессильны
перед все возрастающей сложностью этой задачи, нам необ-
ходим переход к квантовым компьютерам.

Неопределенности

Какой бы мощной ни была компьютерная программа, всегда
остается проблема неизвестных, неожиданных факторов,
которые трудно моделировать. Возможно, самая серьезная
неопределенность — это присутствие облаков, способных
отражать солнечный свет обратно в космическое простран-
ство, таким образом несколько снижая парниковый эффект.
Поскольку в среднем до 70% поверхности Земли покрыто
облаками, это весьма существенный фактор.

Проблема в том, что форма облаков меняется поми-
нутно, делая долгосрочные прогнозы в этом отношении
очень неопределенными. Облака моментально реагируют
на быстрые изменения температуры, влажности, давления
воздуха, ветровых течений и других факторов. Метеоро-
логи компенсируют все это грубой оценкой своих мыслей
о том, как на самом деле будут вести себя облака, на осно-
вании прошлых данных.

Еще один источник неопределенности — уже упоми-
навшиеся струйные течения. Когда вы смотрите прогноз
погоды, на околоарктических спутниковых снимках видна
масса холодного воздуха, блуждающего по земному шару.
Обычно такие блуждания ограничены северными регио-
нами, но иногда добираются и до Мексики. Поскольку точ-
ный маршрут струйного течения предсказать трудно, ме-
теорологи берут среднюю оценку температурных сдвигов,
ими вызываемых.

К сожалению, существует предел тому, что могут сде-
лать цифровые компьютеры в условиях неопределенно-
стей. Однако квантовые компьютеры способны устранить
самые серьезные источники неопределенностей. Во-первых,
квантовые компьютеры в состоянии рассчитать, что проис-
ходит, если мы уменьшим размер квадрата, чтобы сделать
прогнозы более точными. Погода может стремительно ме-
няться на протяжении даже одного километра, а размер
квадратов сети составляет много километров, так что неиз-
бежно возникают ошибки. Но квантовый компьютер смо-
жет работать с куда более мелкими квадратами.

Во-вторых, эти модели оценивают такие факторы, как
струйные потоки и облака, на фиксированных уровнях.
Квантовые компьютеры будут вводить для этих параме-
тров переменные величины, так что через какое-то время
вам достаточно будет просто повернуть ручку, чтобы что-то
изменить. Таким образом, квантовые компьютеры позво-
лят строить виртуальные метеосводки с важнейшими пе-
ременными.

Мы видим предел того, что можно сделать при помощи
традиционных компьютеров, когда смотрим по телевизору
прогноз движения урагана. На экран выводятся оценки раз-
ных компьютерных моделей, и мы замечаем, насколько они
различны. Важные прогнозы разных компьютерных про-
грамм (например, где и когда ураган обрушится на сушу
и как глубоко проникнет на территорию страны) часто раз-
личаются на сотни миль.

Все эти неопределенности, которые часто обходятся нам
в миллионы долларов и жизни невинных людей, удастся
серьезно снизить, когда мы осуществим переход к кванто-
вым компьютерам.

Более точные метеосводки, сгенерированные кванто-
выми компьютерами, дадут более точные прогнозы, что
поможет подготовиться ко всем возможным сценариям.

Но поскольку один из основных факторов глобального
потепления — это сжигание ископаемого топлива, нам
очень важно исследовать альтернативные источники энер-
гии. Одним из важных источников дешевой энергии в бу-
дущем станет энергия ядерного синтеза, то есть обуздание
мощи Солнца здесь, на Земле. А ключом к энергии ядер-
ного синтеза послужат, очевидно, квантовые компьютеры.
ГЛАВА 15

СОЛНЦЕ В БУТЫЛКЕ

С древнейших времен люди славили солнце как
символ жизни, надежды и процветания. Греки ве-
рили, что Гелиос — бог солнца — гордо разъезжает
по небу в своей сверкающей колеснице, освещая мир и да-
руя тепло и комфорт обитающим внизу смертным.

В более близкие нам времена ученые попытались разга-
дать секрет солнца и получить его неограниченную энергию
прямо здесь, на Земле. Главный кандидат на роль источ-
ника этой энергии называется ядерным синтезом; некото-
рые говорят, что овладеть ядерным синтезом — все равно
что поместить солнце в бутылку. На бумаге этот процесс
выглядит как идеальное решение всех наших энергетиче-
ских проблем. Он способен вечно генерировать энергию
в неограниченном количестве, причем без тех многочис-
ленных проблем, которые связаны с ископаемым топливом
и ядерной энергией. А поскольку он к тому же углеродно-
нейтральный, то вполне может спасти нас от глобального
потепления.

Такое впечатление, что сбываются все наши мечты.

К несчастью, физики переоценили эту технологию.
Смешно, не правда ли? Каждые 20 лет ученые-физики за-
являют, что получение энергии ядерного синтеза будет воз-
можно уже через 20 лет. Но теперь представители ведущих
промышленных держав твердят, что до термоядерной энер-
гии буквально рукой подать и что она оправдает все свои
обещания — обеспечит нас энергией в неограниченном
количестве, причем почти даром.

Сегодня термоядерные реакторы всё еще настолько до-
роги и сложны, что от коммерческого использования этой
технологии нас, вероятно, по-прежнему отделяют несколько
десятков лет. Однако многие ученые надеются, что с появ-
лением квантовых компьютеров некоторые трудно поддаю-
щиеся проблемы, мешающие производить термоядерную
энергию, будут решены, что позволит термоядерным реак-
торам стать реальностью, которая совместит практичность
и экономичность. Не исключено, что именно квантовые
компьютеры окажутся ключевой технологией, которая по-
может ввести термоядерную энергию в наши дома и города.

Многие надеются, что энергия ядерного синтеза станет
коммерчески выгодной прежде, чем глобальное потепление
необратимо разогреет планету.

Почему светит Солнце?

Люди испокон веков задавались вопросом: что застав-
ляет Солнце светиться? Его энергия кажется безграничной
и даже божественной. Некоторые рассуждали, что Солнце,
должно быть, — это гигантская печь в небесах. Но простой
расчет показывает, что сжигания топлива хватило бы лишь
на несколько сотен или тысяч лет и что в космическом ва-
кууме любое пламя мгновенно бы погасло.

Так почему светит солнце?

В конце концов тайну Солнца раскрыло знаменитое
уравнение Эйнштейна Е = тс2. Физики поняли, что Солнце,
состоящее в основном из водорода, извлекает свою громад-
ную энергию из слияния ядер водорода, образуя гелий.
Когда массу участвующего в реакции водорода сравнили
с массой гелия, обнаружилось, что небольшая часть при
этом пропадает. Этот дефицит массы, согласно формуле
Эйнштейна, превращается в огромную энергию, которая
освещает всю Солнечную систему.

Общество узнало о громадной мощи, запертой в атоме
водорода, когда эту мощь выпустили наружу, взорвав водо-
родную бомбу. В каком-то смысле это был кусочек Солнца,
перенесенный на Землю, с соответствующими масштаб-
ными последствиями.

Преимущества термоядерного синтеза

На самом деле существует два способа высвободить это
ядерное пламя. Можно организовать слияние водорода
с образованием гелия — то есть синтез, а можно расщепить
атом урана или плутония с высвобождением энергии —
то есть распад. В каждом из этих процессов, если сравнить
массу ингредиентов с массой конечного продукта, крошеч-
ная часть массы исчезает — и обнаруживается в виде ядер-
ной энергии.

Все ныне действующие коммерческие атомные электро-
станции получают энергию от расщепления урана, синтез
в сравнении с этим процессом обладает рядом замечатель-
ных преимуществ.

Во-первых, в отличие от атомных станций, ядерный
синтез не создает значительных смертельно опасных ядер-
ных отходов. В реакторе распада ядра урана расщепляются
на части с выделением энергии, но при этом также возни-
кает целый каскад из сотен радиоактивных продуктов рас-
пада, таких как стронций-90, йод-131, цезий-137 и других.
Некоторые из этих радиоактивных побочных продуктов бу-
дут сохранять радиоактивность миллионы лет, поэтому нам
приходится создавать гигантские ядерные свалки и обес-
печивать их безопасность на неопределенный срок в бу-
дущем. Одна-единственная атомная станция, к примеру,
всего за год может дать 30 т высокоактивных ядерных от-
ходов. Хранилища таких отходов напоминают гигантские
мавзолеи. Во всем мире накоплено 370000 т смертельно
опасных продуктов распада, за которыми необходимо тща-
тельно следить.

Станции синтеза, напротив, производят в качестве по-
бочного продукта газообразный гелий, который сам по себе
обладает коммерческой ценностью. Некоторые облучаемые
стальные конструкции термоядерного реактора тоже ста-
новятся радиоактивными после нескольких десятков лет
использования, но их несложно заменить и захоронить.

Во-вторых, в отличие от атомных, у термоядерных реак-
торов нет опасности, что они могут расплавиться. На атом-
ной станции отходы продолжают выделять большое ко-
личество тепла, даже если реактор заглушен. Если в ходе
какой-то аварии пропадает охлаждающая вода, температура
взлетает, так что реактор нагревается чуть ли не до 3000 °C
и начинает плавиться. Результат — катастрофические
взрывы. К примеру, в Чернобыле в 1986 г. водяной пар
и взрывы водорода снесли с реактора крышу с выбросом
около 25% радиоактивных материалов активной зоны в ат-
мосферу над Европой. Это стало самой крупной аварией
на атомной станции за всю историю.

Напротив, если авария случится в реакторе синтеза, про-
цесс синтеза просто остановится. Тепло перестанет выде-
ляться, и на этом все закончится.

В-третьих, запасы топлива для термоядерных реакто-
ров беспредельны. Запасы урана, напротив, ограничены,
к тому же для получения пригодного к использованию ура-
нового топлива необходим полный топливный цикл, вклю-
чающий добычу, измельчение и обогащение руды. Но водо-
род можно извлекать и из обычной морской воды.

В-четвертых, синтез — очень эффективный способ вы-
свобождения энергии атома. Из одного грамма тяжелого
водорода можно получить 90 ооо кВт электрической энер-
гии, что эквивалентно и т угля.

И наконец, ни атомные, ни термоядерные станции
не производят углекислого газа и потому не способствуют
глобальному потеплению.

Как построить реактор синтеза

Для термоядерной машины необходимы два базовых ин-
гредиента. Во-первых, нужен источник водорода, нагре-
того до многих миллионов градусов, — он должен быть
горячее Солнца, — что превращает его в плазму, которая
представляет собой четвертое состояние вещества (после
твердых тел, жидкостей и газов). Плазма — это настолько
горячий газ, что некоторые из его электронов оторваны
от своих мест. Это самая часто встречающаяся форма веще-
ства во Вселенной, из которой состоят звезды, межзвезд-
ный газ и даже молнии.

Во-вторых, нужен способ удерживать плазму во время
ее нагревания. В звездах газ сжимается благодаря тяготе-
нию. Но на Земле гравитация для этого слишком слаба, так
что мы используем электрическое и магнитное поля.

Самая популярная конструкция термоядерного реак-
тора называется токамак — это русский проект. Возьмите
цилиндр и полностью обмотайте его витками проволоки.
Затем соедините два конца этого цилиндра, чтобы полу-
чить форму тора (бублика). Впрысните в этот «бублик» га-
зообразный водород, а затем пропустите через цилиндр
Витки внутреннего

Витки внешнего полоидального

Рис. 11. Токамак

В реакторе ядерного синтеза витки провода, намотанные
вокруг камеры в форме тора, создают мощное магнитное
поле, удерживающее сверхгорячую плазму. Ключ к токамаку —
нагрев газа до такой степени, чтобы запустилась реакция
синтеза и выделилось большое количество энергии.

В будущем, возможно, при помощи квантовых компьютеров
удастся изменить и даже улучшить конкретную конфигурацию
магнитного поля, повысив таким образом мощность реактора
и сильно снизив затраты.

Mapping Specialists Ltd.

электрический ток, который разогреет газ до громадных
температур. Чтобы удержать эту горячую плазму, в витки
провода, намотанного на тор, закачивают огромное коли-
чество электрической энергии, удерживая плазму мощным
магнитным полем и не давая ей коснуться стенок реактора.

Наконец, когда начинается синтез, ядра водорода соеди-
няются, образуя гелий и высвобождая огромное количество
энергии. В одной из конструкций два изотопа водорода —
дейтерий и тритий — сливаются, образуя на выходе энер-
гию, гелий и нейтрон. Этот нейтрон, в свою очередь, уно-
сит энергию слияния за пределы реактора, где сталкивается
со специальным защитным слоем — бланкетом, окружаю-
щим токамак.

Этот бланкет, обычно изготовленный из бериллия, меди
и стали, нагревается, так что вода в проходящих сквозь него
трубах начинает кипеть. Образующийся при этом пар мо-
жет толкать лопасти турбины, заставляя вращаться гигант-
ские магниты. Это магнитное поле, в свою очередь, толкает
электроны в турбине, генерируя электрический ток, кото-
рый в итоге оказывается в вашей гостиной.

В чем причина задержек?

Если учесть все преимущества, которые обещает нам термо-
ядерный реактор, возникает резонный вопрос: почему он
до сих пор не создан? Прошло уже около 70 лет с тех пор,
когда были разработаны первые реакторы синтеза, но ра-
ботающих станций до сих пор нет. Почему? Мешают про-
блемы не физического, а инженерного характера.

Чтобы инициировать реакцию синтеза, благодаря ко-
торому выделяется столько энергии, необходимо нагреть
водород до многих миллионов градусов, чтобы он стал го-
рячее Солнца. Но нагреть газ до такой немыслимой тем-
пературы трудно. Газ часто нестабилен, и реакция синтеза
прекращается. Физики не одно десятилетие пытаются при-
думать способ удерживать водород так, чтобы можно было
спокойно его нагревать до звездных температур.

Теперь, задним числом, ученые понимают, что природе
относительно несложно дать старт выработке термоядерной
энергии в глубинах звезды. Звезды начинаются с шара газо-
образного водорода, равномерно сжимаемого гравитацией.
По мере того как шар сжимается и становится все меньше,
температура повышается, пока не достигнет тех самых мил-
лионов градусов. Тогда и сливается водород. И звезда вспы-
хивает.

Обратите внимание: этот процесс возникает естествен-
ным образом, сам по себе, поскольку гравитация монопо-
лярна. Все начинается с одного полюса (не с двух), так что
первоначальный газовый шар сжимается сам по себе, под
собственной тяжестью. В результате звезды образуются
относительно легко, и потому мы наблюдаем мириады их
в своих телескопах.

Однако электричество и магнетизм имеют иную при-
роду. Они биполярны. Так, у магнита всегда есть два полюса:
северный и южный. Невозможно взять молоток и отбить
для себя только северный полюс. Если сломать магнит по-
полам, получится два магнита, и у каждого будут собствен-
ные северный и южный полюса.

Так что здесь есть проблема. Чрезвычайно трудно со-
здать мощное магнитное поле, которое могло бы сжимать
сверхгорячий водород в форме бублика достаточно долго,
чтобы начался процесс синтеза. Чтобы понять, почему так,
мысленно возьмите в руки длинный надутый шарик вроде
тех, из которых скручивают разные фигурки. Теперь со-
едините концы шарика, чтобы получился бублик. А теперь
попробуйте равномерно сжать его. В каком бы месте вы
ни попытались сжать шарик, воздух все равно найдет себе
место и раздует его. Чрезвычайно трудно стиснуть шарик
так, чтобы воздух внутри равномерно сжался.

Международный экспериментальный
термоядерный реактор

После окончания холодной войны и осознания того факта,
что строительство термоядерного реактора — дело безумно
дорогое, ряд стран начали объединять знания и ресурсы
ради мирного обуздания атома. В 1979 г. в кулуарах великих
держав возникли и стали набирать обороты планы строи-
тельства международного реактора. Позже президенты Ро-
нальд Рейган и Михаил Горбачев встретились и скрепили
официально достигнутую договоренность.

Международный экспериментальный термоядерный ре-
актор (ITER) — пример такого сотрудничества. В финанси-
ровании этого амбициозного проекта участвуют 35 стран,
включая государства Европейского союза, США, Японию
и Корею.

Для измерения эффективности реактора физики ввели
величину Q равную отношению энергии, выделенной реак-
тором, и энергии, им потребленной. Если Q = 1, мы остаемся
«при своих» — реактор вырабатывает ровно столько же энер-
гии, сколько потребляет. В настоящее время мировой ре-
корд для термоядерного реактора колеблется около Q = 0,7.
Предполагается, что ITER должен достигнуть равновесного
состояния к 2025 г. Но по проекту его эффективность со вре-
менем должна вырасти до Q = ю, и тогда он будет выраба-
тывать намного больше энергии, чем потреблять.

ITER — чудовищная машина весом более 5000 т, что
делает ее одним из самых сложных научных инструментов
в истории наряду с Международной космической станцией
и Большим адронным коллайдером. В сравнении с каме-
рами предыдущих реакторов синтеза, ITER вдвое больше
и в 16 раз тяжелее. Его бублик — гигантский тор 19,5 м в диа-
метре и 11,3 м в высоту. Для удержания плазмы его магниты
генерируют магнитное поле в 280 ооо раз мощнее земного.

ITER — самый амбициозный термоядерный проект
в мире. Считается, что он способен генерировать 450 МВт
энергии, но его не будут подключать к электрической сети.
Он будет включен для испытаний в 2025 г. и, возможно, до-
стигнет полной мощности к 2035 г. При успехе он проложит
путь термоядерному реактору нового поколения, получив-
шему название DEMO, создание которого предполагается
завершить к 2050 г. DEMO, согласно проекту, должен до-
стичь Q = 25 и производить до 2 ГВт энергии.
Так что цель в том, чтобы к середине века получить ком-
мерчески эффективную термоядерную станцию. Но анали-
тики подчеркивают, что энергия синтеза не разрешит кри-
зис глобального потепления в ближайшее время. «Синтез
не то решение, которое приведет нас к углеродной ней-
тральности к 2050 г. Это решение обеспечит общество энер-
гией во второй половине этого века»1, — говорит научный
корреспондент Би-би-си Ньюс Джон Амос.

Ключ к ITER — мощнейшие магнитные поля, которые
стали возможны при использовании так называемой сверх-
проводимости — точки, в которой при сверхнизких тем-
пературах исчезает всякое электрическое сопротивление;
именно это и дает возможность генерировать столь мощ-
ные магнитные поля. Понижение температуры до значений,
близких к абсолютному нулю, уменьшает сопротивление
к электричеству, устраняет тепловые потери и повышает
эффективность магнитного поля.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 г., ко-
гда ртуть охладили до 4,2 К, что близко к абсолютному
нулю. В то время считалось, что случайное движение ато-
мов при абсолютном нуле должно практически прекра-
титься, и электроны смогут наконец свободно двигаться,
не испытывая сопротивления. Поэтому показалось стран-
ным, что некоторые вещества способны становиться сверх-
проводящими даже при более высоких температурах. Это
было загадкой.

Только в 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Джон
Шриффер создали наконец квантовую теорию сверхпрово-
димости. Они обнаружили, что при определенных условиях
электроны могут образовывать так называемые куперов-
ские пары и затем двигаться по поверхности сверхпровод-
ника без всякого сопротивления. Согласно этой теории,
максимальная температура для сверхпроводника состав-
ляла 40 К.
Еще до включения магнитов ITER аналогичные, но ме-
нее масштабные реакторы доказали, что базовая конструк-
ция токамака вполне корректна. Правильность его кон-
струкции получила мощное подтверждение в 2022 г., когда
было объявлено, что две его версии меньшего размера —
одна возле Оксфорда в Англии, другая в Китае — сумели
достичь рекордных показателей.

Оксфордский реактор синтеза под названием JET (Joint
European Torus) сумел достичь уровня Q = 0,33 и удержи-
вать его полные 5 секунд, побив тем самым рекорд, уста-
новленный этим же реактором 24 года назад. Условно го-
воря, при мощности в и МВт выработанной реактором
энергии было бы достаточно, чтобы вскипятить 6о чай-
ников воды.

«Эксперименты на JET приближают нас еще на один
шаг к термоядерной энергии, — говорит Джо Милне, один
из руководителей лаборатории. — Мы продемонстриро-
вали, что можем создать внутри нашей машины мини-
звезду и удерживать ее там на протяжении пяти секунд,
а также получить высокую эффективность, что по-настоя-
щему выводит нас на новый уровень»2.

Артур Таррелл, специалист по термоядерной энергии,
сообщает: «Это действительно знаковое событие, поскольку
они сумели продемонстрировать самое большое в истории
количество энергии, полученное из реакций синтеза на ка-
ком бы то ни было устройстве»3.

Однако китайцы несколько месяцев спустя сделали свое
заявление о том, что им удалось поддерживать реакцию
синтеза полных 17 минут при помощи разогрева плазмы
до 158 млн °C. Их термоядерный реактор под названием
EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak),
как и британский реактор, создан на основе оригинальной
конструкции токамака, что указывает, что ITER, вероятно,
на верном пути.
Конкурирующие конструкции

Поскольку ставки так высоки, а сильными магнитными по-
лями, как всем известно, оперировать очень трудно, для
удержания плазмы было предложено множество альтерна-
тивных идей. В настоящее время около 25 стартапов пыта-
ются продвигать собственные варианты реакторов синтеза.

В целом во всех конструкциях, построенных по прин-
ципу токамака, используются сверхпроводники, для созда-
ния которых обмотки охлаждают до температур, близких
к абсолютному нулю, когда электрическое сопротивление
практически исчезает. Но в 1986 г. методом проб и ошибок
был открыт новый класс сверхпроводников, что стало по-
истине сенсационным открытием. Такой сверхпроводник
способен достичь состояния сверхпроводимости практи-
чески в тепле — при 77 К. (Этот новый класс сверхпро-
водников, называемых высокотемпературными сверхпро-
водниками, основан на охлаждении керамики, такой как
оксид иттрия-бария-меди.) Это была уже серьезная за-
явка, поскольку означала появление новой квантовой тео-
рии сверхпроводимости; кроме того, из нее следовало, что
керамику можно делать сверхпроводимой при помощи
обычного жидкого азота. В этом состоял важный момент,
поскольку жидкий азот по стоимости сравним с молоком
и должен был значительно снизить цену сверхпроводящих
магнитов. (Сухой лед, или твердый диоксид углерода, стоит
г доллар за фунт. Жидкий азот стоит в четыре раза больше.
Тогда как жидкий гелий, применяемый в качестве охла-
дителя в большинстве сверхпроводников, стоит юо дол-
ларов за фунт.)

Обычному человеку разница может показаться не такой
уж существенной, но для физика это открывает настоящую
сокровищницу возможностей. Поскольку магниты — самый
сложный компонент термоядерного реактора, это меняет
всю экономику установки и, соответственно, общий взгляд
на эту технологию.

Хотя открытие высокотемпературных керамических
сверхпроводников произошло слишком поздно, чтобы ис-
пользовать их в ITER, появилась возможность использо-
вать эту технологию при создании следующего поколения
реакторов синтеза.

Один из перспективных проектов с использованием но-
вого метода — реактор SPARC, о создании которого было
объявлено в 2018 г. и который очень быстро привлек внима-
ние (а также чековые книжки) видных миллиардеров, таких
как Билл Гейтс и Ричард Брэнсон, что позволило SPARC
за короткое время привлечь более 250 млн долларов. (Хотя
в сравнении с 21 млрд долларов, уже потраченных на ITER,
это мелочь.)

В 2021 г. проект миновал очень серьезную веху, успешно
испытав высокотемпературные магниты, способные генери-
ровать магнитное поле, в 40 ооо раз превышающее напря-
женность магнитного поля Земли.

«Этот магнит изменит как направление плазменных ис-
следований, так и путь к получению термоядерной энер-
гии, а со временем, мы считаем, и весь энергетический
ландшафт мира»4, — комментирует Деннис Уайт из МТИ.
«Это очень серьезно. И это не хайп, а реальность»5, — го-
ворит Эндрю Холланд, исполнительный директор Ассо-
циации термоядерной промышленности. В 2025 г. SPARC,
возможно, достигнет энергетического равновесия Q_ = 1;
если все получится, он сделает это примерно в одно время
с ITER, но намного быстрее и многократно дешевле.

Сам по себе SPARC не будет производить коммерче-
скую электроэнергию. Но, возможно, это сделает его пре-
емник — реактор ARC. В случае успеха он сдвинет центр
тяжести плазменных исследований и вынудит следующее
поколение реакторов синтеза к применению новейших тех-
нологий, таких как высокотемпературные сверхпроводники
и, может быть, квантовые компьютеры, которые потребу-
ются для обеспечения стабильности магнитного поля, необ-
ходимой для удержания плазмы.

Однако в сфере сверхпроводимости в последнее
время все очень запуталось. Было объявлено, что полу-
чена наконец сверхпроводимость при комнатной темпе-
ратуре. В обычных условиях создание сверхпроводника
при комнатной температуре было бы встречено общим
восторгом — как известие о добытом священном граале
низкотемпературной физики, то есть конечном продукте
нескольких десятилетий тяжкого труда. Однако в этом от-
крытии есть одна большая проблема. Да, физики наконец
получили сверхпроводник при комнатной температуре, —
но для этого его нужно сжать до 2,6 млн атмосфер. Про-
ведение даже простейших экспериментов с таким астроно-
мическим давлением требует высокоспециализированного
оборудования, которое есть не у всех. Так что физики пока
занимают выжидательную позицию и хотят посмотреть,
нельзя ли снизить давление, чтобы сверхпроводники при
комнатной температуре действительно могли стать полез-
ной альтернативой.

Лазерный синтез

Совершенно иной подход к термоядерному синтезу избрало
Министерство энергетики США: вместо мощных магнитов
для нагрева водорода в его установке было решено исполь-
зовать гигантские лазерные лучи. В процессе подготовки од-
ной из телепрограмм на канале Би-би-си, ведущим которой
я был, мне довелось в свое время посетить Национальный
комплекс лазерных термоядерных реакций (NIF) — гро-
мадную установку в Ливерморской национальной лабора-
тории в Калифорнии стоимостью 3,5 млрд долларов.

Поскольку это военный объект и там разрабатываются
термоядерные боеголовки, чтобы попасть туда, мне при-
шлось пройти несколько проверок со стороны службы без-
опасности. В конце концов меня провели через вооружен-
ную охрану в зал управления комплексом. Даже если вы
прежде видели схемы NIF на бумаге, вы все равно будете
ошеломлены, увидев размеры этой машины собственными
глазами. Она поистине громадна, размером с три футболь-
ных поля и десять этажей в высоту. Обычный человек ря-
дом с ней кажется карликом.

Издалека были видны траекториии 192 высокоэнергети-
ческих лазерных лучей, одних из самых мощных на нашей
планете. Включившись на миллиардную долю секунды, эти
лучи падают на 192 зеркала. Каждое из них тщательно на-
строено таким образом, чтобы отразить луч в мишень —
маленькую гранулу размером с горошину, содержащую бо-
гатый водородом дейтерид лития.

В результате поверхность гранулы испаряется и схлопы-
вается, а ее температура возрастает до десятков миллионов
градусов. При таком нагреве и сжатии происходит термо-
ядерная реакция — и излучаются характерные нейтроны.

Конечная цель в том, чтобы использовать лазерный син-
тез для коммерческого производства электроэнергии. При
испарении гранулы-мишени излучаются нейтроны, которые
затем проходят сквозь замедлитель — бланкет. Как и в то-
камаке, разработчики надеются, что эти высокоэнергети-
ческие нейтроны передадут свою энергию бланкету, кото-
рый нагреется и вскипятит воду; пар от этой воды затем
будет подаваться в турбину для выработки коммерческой
электроэнергии.

В 2021 г. NIF преодолел очередной рубеж. Он вырабо-
тал ю квадриллионов ватт мощности за юо триллионных
долей секунды при температуре юо млн К, побив свой же
предыдущий рекорд. Топливные гранулы в нем сжимаются
до 350 млрд атмосфер.

И, наконец, в декабре 2022 г. NIF попал в заголовки ново-
стей по всему миру с сенсационным заявлением о том, что
на нем достигнуто, впервые в истории, Q. больше единицы,
то есть эта установка выработала больше энергии, чем по-
требила. Это стало поистине историческим событием, озна-
меновавшим тот факт, что управляемый термоядерный син-
тез — цель, которая на самом деле может быть достигнута.
Но физики предупреждают: это лишь первый шаг. Вторым
шагом должно стать масштабирование реактора таким обра-
зом, чтобы он мог обеспечивать энергией целый город. После
этого, вероятно, его можно будет копировать и распростра-
нять по миру. Остается убедиться в том, что NIF действи-
тельно можно поставить на коммерческие рельсы и он смо-
жет вырабатывать энергию в практически значимых объемах.
Пока же самой продвинутой и самой распространенной для
термоядерного реактора остается конструкция типа токамак.

Проблемы синтеза

Хотя потенциально термоядерная энергия может изменить
характер потребления энергии на Земле, существуют труд-
норазрешимые проблемы, которые уже не раз приводили
к рухнувшим надеждам и разбитым мечтам.

В прошлом многие усилия по обузданию энергии син-
теза заканчивались разочарованиями. Начиная с 1950-х гг.
было построено более юо реакторов, но ни один из них
не производил больше энергии, чем потреблял. Позже мно-
гие проекты были заброшены. Одна из фундаментальных
проблем заключается в тороидальной (в виде бублика) кон-
фигурации токамака. Такая конфигурация решает одну про-
блему (способность удерживать плазму при высоких тем-
пературах), но создает другую (нестабильность).

Из-за тороидальной природы магнитного поля трудно
поддерживать стабильный процесс синтеза достаточно
долго, чтобы он соответствовал критерию Лоусона, кото-
рый требует определенной температуры, плотности и про-
должительности для возникновения реакции синтеза.

Если в магнитном поле токамака присутствуют даже не-
значительные неравномерности, плазма в нем может стать
нестабильной.

Проблема усугубляется взаимодействием плазмы с маг-
нитным полем. Даже если внешнее магнитное поле перво-
начально может удерживать плазму, то сама плазма тоже
обладает собственным магнитным полем, которое взаи-
модействует с более мощным магнитным полем реактора
и становится нестабильным.

Тот факт, что уравнения плазмы и магнитного поля
тесно взаимосвязаны, порождает эффект ряби. Если в ли-
ниях магнитного поля внутри бублика присутствует лег-
кая неравномерность, это, в свою очередь, вызывает не-
равномерности в плазме внутри бублика. Но, поскольку
плазма обладает собственным магнитным полем, это мо-
жет усилить первоначальную неравномерность. Таким об-
разом, система может пойти вразнос, и неравномерность
будет усиливаться всякий раз, когда два магнитных поля
будут взаимно усиливать друг друга. Эти неравномерно-
сти иногда достигают таких масштабов, что плазма может
коснуться стенок реактора и прожечь в них дыру. Именно
в этом заключается фундаментальная причина, по которой
так трудно соответствовать критерию Лоусона и удержи-
вать процесс синтеза стабильным достаточно долго, чтобы
получить установку, которая бы обеспечивала самоподдер-
живающуюся цепную реакцию.
Квантовый синтез

Именно здесь в дело вступают квантовые компьютеры.
Уравнения для магнитного поля и плазмы известны. Про-
блема в том, что эти два уравнения связаны друг с другом
и взаимодействуют сложным образом. Непредсказуемые
малые колебания могут вдруг усилиться. Но если для ци-
фровых компьютеров вычисления в такой ситуации пред-
ставляют большую трудность, то квантовые компьютеры,
возможно, справятся с расчетом этой сложной системы.

Сегодня, если конструкция какого-то термоядерного
реактора оказывается неудачной, чрезвычайно трудно —
практически невозможно — начать все сначала и полно-
стью ее изменить. Однако, если бы все нужные уравнения
были внутри квантового компьютера, рассчитать, явля-
ется ли конструкция оптимальной или существуют, мо-
жет быть, более стабильные или эффективные варианты,
было бы совсем несложно.

Менять параметры в программе квантового компьютера
многократно дешевле, чем заново конструировать совер-
шенно новый магнит для термоядерного реактора стоимо-
стью в миллиард долларов.

Поскольку реактор может стоить от ю до 20 млрд дол-
ларов, такое решение могло бы дать астрономическую
экономию. Новые конструкции можно было бы создавать
и испытывать виртуально, так как квантовый компьютер
рассчитал бы их свойства. Кроме того, квантовый компью-
тер способен легко играть с целой серией новых виртуаль-
ных конструкций, чтобы понять, повышают ли они эффек-
тивность реактора.

К тому же мощь квантовых компьютеров можно еще
усилить, если соединить такой компьютер с искусствен-
ным интеллектом. ИИ-системы в состоянии варьировать
силу различных магнитов в реакторе синтеза. Затем кван-
товые компьютеры проанализировали бы полученные при
этом данные, чтобы повысить коэффициент Q. Так, ИИ-
программа DeepMind уже использовалась для модифика-
ции термоядерного реактора, работающего в Швейцарии
под управлением Швейцарского федерального института
технологии в Лозанне.

«Думаю, ИИ сыграет важную роль в будущем управле-
нии токамаками и вообще в плазменных исследованиях, —
говорит Федерико Феличи из Швейцарского института. —
В том, чтобы управлять при помощи ИИ и понимать, как
использовать такие устройства наиболее эффективным спо-
собом, скрыт громадный потенциал»6.

Так что ИИ и квантовые компьютеры могут работать
рука об руку над повышением эффективности термоядер-
ных реакторов, которые, в свою очередь, обеспечат энер-
гией будущее и замедлят глобальное потепление.

Еще одно возможное применение квантовых компью-
теров — расшифровка механизмов работы высокотемпера-
турных керамических сверхпроводников. Как уже упомина-
лось, в настоящее время никто не знает, как и почему они
обретают это волшебное свойство. Высокотемпературная
керамика известна уже более 40 лет, но консенсуса по прин-
ципам ее работы до сих пор нет. Предложено немало тео-
ретических моделей, но все они остаются лишь теорети-
ческими.

Однако квантовый компьютер способен изменить си-
туацию. Поскольку сам по себе он является устройством
квантово-механическим, скорее всего, он сумеет рассчитать
распределение электронов в двумерных слоях внутри кера-
мического сверхпроводника и таким образом определить,
какая из теорий верна.

К тому же мы видели, что поиск и создание новых сверх-
проводников по-прежнему ведутся методом проб и ошибок.
Новые сверхпроводники, как правило, обнаруживаются слу-
чайно. Это означает, что каждый раз при испытании нового
материала приходится придумывать совершенно новые экс-
перименты. Систематических методов поиска новых сверх-
проводников просто не существует. Не исключено, однако,
что квантовый компьютер мог бы создать виртуальную ла-
бораторию для испытания новых вариантов потенциаль-
ных сверхпроводников — и тогда появилась бы вероят-
ность за один день быстро проверить десятки интересных
веществ, вместо того чтобы тратить годы и миллионы дол-
ларов на испытание каждого из них.

Таким образом, квантовые компьютеры могут оказаться
ключом к экологичной, дешевой и надежной энергии бу-
дущего.

Но если мы сможем решить при помощи квантового
компьютера уравнения термоядерного синтеза, то, воз-
можно, нам удастся также решить уравнение синтеза, на ос-
нове которого образуются звезды, и раскрыть тем самым
секрет внутренних ядерных печей, разбросанных по ноч-
ному небу, понять, как звезды взрываются, превращаясь
в сверхновые, и как со временем из них получаются самые
загадочные объекты во Вселенной — черные дыры.
ГЛАВА 16

МОДЕЛИРОВАНИЕ
ВСЕЛЕННОЙ

В 1609 г- Галилео Галилей посмотрел в телескоп, изго-
товленный собственными руками, и увидел чудеса,
которые до него никто не замечал. Впервые в исто-
рии открылось подлинное величие Вселенной.

Галилей был заворожен. Он собственными глазами
наблюдал новую, ошеломляющую картину Вселенной,
которая раскрывалась перед ним каждую ночь. Он пер-
вым увидел, что Луна испещрена глубокими кратерами,
что на Солнце есть темные пятна, что у Сатурна торчат
какие-то «уши» (сегодня известные как кольца), что возле
Юпитера обретаются четыре собственные луны и что у Ве-
неры, как и у Луны, меняются фазы (с его точки зрения, это
доказывало, что Земля вращается вокруг Солнца, а не на-
оборот) .

Галилей даже стал приглашать вечерами гостей для на-
блюдения за небом, и венецианская знать могла собствен-
ными глазами узреть истинное великолепие Вселенной.
Но эта блистательная картина не соответствовала той, что
проповедовала официальная религия, так что за косми-
ческие откровения Галилею пришлось дорого заплатить.
Церковь учила, что небеса состоят из идеальных, вечных
небесных сфер — свидетельства славы Господней, тогда
как Земля поражена плотскими грехами и искушениями.

ззо
И все же Галилей собственными глазами видел, что Вселен-
ная богата, разнообразна, динамична и постоянно меняется.

Действительно, некоторые ученые считают телескоп са-
мым, возможно, крамольным инструментом в истории на-
уки, поскольку он бросил вызов властям предержащим и на-
всегда изменил наши отношения с окружающим миром.

Галилей и его телескоп перевернули все прежние пред-
ставления о Солнце, Луне и планетах. В конце концов Галилей
был арестован и предстал перед судом, где ему напомнили,
что зз года назад бывший монах Джордано Бруно был со-
жжен живьем в Риме за утверждение о том, что в космиче-
ском пространстве могут существовать и другие солнечные
системы — а на некоторых из них, возможно, даже жизнь.

Революция, запущенная телескопом Галилея, навсегда из-
менила наш взгляд на чудеса Вселенной. Астрономов теперь
не сжигают у столба. Вместо этого они запускают гигант-
ские спутники, такие как космические телескопы «Хаббл»
и «Джеймс Уэбб», которые помогают разгадывать загадки
Вселенной. (А на площади Кампо деи Фиори в Риме — в том
самом месте, где был сожжен заживо Джордано Бруно, стоит
ему памятник. Итальянский философ должен чувствовать
себя отмщенным — ежедневно ученые обнаруживают в не-
бесах новые планеты, вращающиеся вокруг далеких звезд.)

Сегодня спутники на околоземных орбитах дают беспре-
цедентную возможность наблюдать за небом. Установлен-
ные на них инструменты, такие как космический телескоп
«Джеймс Уэбб», отнесены от Земли на большое расстоя-
ние — около 1,5 млн км — ис этой выигрышной позиции
открывают для астрономии новые горизонты.

Наука развивается настолько успешно, что ученые тонут
в океане данных, и только квантовые компьютеры, возможно,
сумеют упорядочить и проанализировать этот вал информа-
ции. Астрономы больше не стынут одинокими холодными
ночами, вглядываясь в объективы промерзших телескопов
и скрупулезно записывая движение каждой планеты. Теперь
они программируют гигантские роботизированные теле-
скопы, которые автоматически просматривают ночное небо.

Дети часто задают простой вопрос: сколько на небе
звезд? Ответить на этот вопрос трудно, но в нашей галак-
тике Млечный Путь порядка юо млрд звезд. А телескоп
«Хаббл» способен в принципе увидеть юо млрд галактик.
Так что, по оценкам, в известной нам Вселенной имеется
приблизительно юо млрд по юо млрд = ю22 звезд.

Это, в свою очередь, означает, что энциклопедия всех пла-
нет, в которой содержались бы их координаты, размер, темпера-
тура и другие параметры, не вместилась бы в память ни одного
суперкомпьютера. Так что при подсчете объектов во Вселенной
нам тоже не обойтись без квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры, вероятно, сумеют просеять аст-
рономическую гору данных и выбрать из них принципи-
ально важные характеристики небесных объектов. Стоит
нажать кнопку, и они выделят из хаотической массы данных
ключевые моменты и сделают важные выводы.

Кроме того, просчитав процессы синтеза, протекающие
глубоко внутри звезды, квантовые компьютеры научатся пред-
сказывать, когда очередная гигантская солнечная вспышка па-
рализует электрические сети. Не исключено, что квантовые
компьютеры будут в состоянии решать уравнения, описыва-
ющие беглые астероиды, взрывающиеся звезды, расширяю-
щуюся Вселенную и то, что происходит внутри черной дыры.

Астероиды-убийцы

Для тщательного анализа этих небесных тел существует
практическая причина, имеющая ко всем нам непосред-
ственное отношение. Некоторые из них могут на самом деле
оказаться опасными, способными разрушить Землю в том
виде, какой мы ее знаем. Шестьдесят шесть миллионов лет
назад какой-то объект примерно девяти километров в по-
перечнике рухнул на полуостров Юкатан в Мексике. При
взрыве выделилось так много энергии, что образовался кра-
тер диаметром чуть ли не 300 км, а приливная волна почти
в 1,5 км высотой прошла по Мексиканскому заливу. Кроме
того, взрыв породил настоящий ураган пылающих метео-
ров, из-за которых все вокруг превратилось в горящий ад.
Плотные пылевые облака поглотили солнечный свет и по-
грузили поверхность Земли во тьму; температура резко
упала, и неуклюжие динозавры больше не могли ни охо-
титься, ни питаться. В результате удара этого астероида
на Земле вымерло около 75% всех форм жизни.

У динозавров, к несчастью, не было космической про-
граммы, потому сегодня их нет с нами и мы не можем обсу-
дить с ними этот вопрос. Но у нас такая программа имеется,
и однажды, возможно, в ней возникнет острая нужда, когда
вдруг выяснится, что какой-то внеземной объект движется
к Земле и рискует с ней столкнуться.

На данный момент правительство и военные заре-
гистрировали и нанесли на карты маршруты примерно
27000 астероидов. Это так называемые объекты, сближа-
ющиеся с Землей (ОСЗ), траектория которых пересекает
земную орбиту и которые поэтому могут представлять дол-
госрочную угрозу нашей планете. Большая их часть варьи-
руется по размеру от футбольного поля до нескольких ки-
лометров в поперечнике. Но куда больше тревоги внушают
десятки миллионов астероидов, которые уступают по раз-
меру футбольному полю и потому вовсе не отслеживаются.
Они могут летать незамеченными, но вызвать серьезный
ущерб в случае столкновения с Землей. Еще одна опас-
ность — долгопериодические кометы; их расположение
за Плутоном неизвестно, и в один прекрасный день они
способны приблизиться к Земле, необъявленные и необ-
наруженные. Так что, к несчастью, лишь небольшая доля
потенциально опасных объектов на самом деле находится
под наблюдением исследователей.

Однажды я брал интервью у астронома Карла Сагана,
известного своими научно-популярными телепрограммами.
Я задал ему вопрос о будущем человечества. Он ответил,
что Земля находится в центре «космического тира», и ко-
гда нам придется столкнуться с гигантским разрушитель-
ным астероидом — это лишь вопрос времени. Вот почему,
сказал он, мы обязательно должны стать «двухпланетным
биологическим видом». Такова наша судьба. Мы обязаны
исследовать дальний космос, сказал он, не только для того,
чтобы открывать новые миры, но и для того, чтобы найти
себе в небесах еще одно безопасное убежище.

Один из астероидов, которые рассматриваются как
угроза и тщательно проверяются, — это Апофис, камень
около 300 м в поперечнике, который должен чиркнуть
по земной атмосфере в апреле 2029 г.

Он подойдет к Земле на расстояние в десять раз мень-
шее, чем расстояние от Земли до Луны.

Мало того, он приблизится настолько, что мы увидим
его невооруженным глазом. И будет пролетать ниже неко-
торых наших спутников.

Поскольку он заденет нашу атмосферу, то столкнется
с непредсказуемыми атмосферными условиями. Поэтому
невозможно сказать наверняка, как будет выглядеть его тра-
ектория позднее, в 2036 г., когда он пройдет мимо Земли
в следующий раз. Скорее всего, в 2036 г. он пролетит мимо
Земли, но это лишь предположение.

Дело здесь в том, что для отслеживания и качественной
аппроксимации траекторий потенциально опасных асте-
роидов нам необходимы квантовые компьютеры. Одна-
жды какой-нибудь астероид пройдет возле Земли, породив
массовую панику, — а ученые будут лихорадочно пытаться
определить, врежется он в Землю или безобидно пролетит
мимо. Именно квантовые компьютеры сыграли бы здесь
принципиальную роль.

В худшем случае долгое путешествие к внутренним пла-
нетам Солнечной системы может начать какая-нибудь да-
лекая комета из глубокого космоса. Без хвоста она ока-
жется невидимой для наших телескопов. И только когда
промчится рядом с Солнцем, с дальней от нас стороны, сол-
нечные лучи наконец прогреют кометный лед — и сфор-
мируется хвост. Когда же комета внезапно появится из-за
Солнца, наши телескопы наконец разглядят ее хвост и пред-
упредят нас о возможном катастрофическом столкновении.
Но задолго ли до столкновения предупредят нас наши теле-
скопы? Вероятно, за несколько недель.

К несчастью, мы не можем ожидать, что на помощь
нам подоспеет Брюс Уиллис на шаттле. Во-первых, про-
грамма Space Shuttle давно прекращена, а то, что пришло
шаттлу на смену, не способно добраться до дальнего кос-
моса. Но даже если бы такой корабль у нас был, мы все
равно не смогли бы вовремя перехватить астероид и раз-
рушить его или изменить его траекторию.

В 2021 г. NASA отправило в космос межпланетную стан-
цию DART (Double Asteroid Redirection Test) на реальный
перехват астероида. Впервые в истории искусственный,
то есть изготовленный человеком, объект сумел физиче-
ски изменить траекторию астероида. Можно надеяться,
что это столкновение даст нам ответы на многие вопросы.
Что представляет собой астероид — рыхлый набор камней,
который легко разваливается? Или плотную массу, которая
при ударе сохранит цельность? Если все пройдет успешно*,

Столкновение аппарата со спутником астероида произошло 26 сентября
2022 г. Изменение орбиты спутника зафиксировано. — Прим. пер.
за DART к далеким астероидам последуют другие аналогич-
ные миссии. Они помогут подготовиться к тому, что может
когда-нибудь произойти.

В итоге регистрация опасных для планеты астероидов,
как и выстраивание их точных траекторий, станет, вероятно,
задачей квантовых компьютеров, поскольку астероидов,
способных нанести Земле существенный ущерб, существуют
миллионы, и многие из них до сих пор не обнаружены.

Кроме того, квантовые компьютеры потребуются нам
для моделирования самого столкновения, чтобы мы могли
оценить реальную опасность каждого из этих объектов
в случае столкновения с Землей. Если, скажем, какой-
нибудь астероид в будущем налетит на нашу планету на ско-
рости порядка четверти миллиона километров в час, то мы
мало что скажем о тех разрушениях, которые он способен
причинить на таких гиперзвуковых скоростях. Возможно,
квантовые компьютеры заполнят этот пробел, чтобы мы
представляли себе, чего ожидать, если Земля окажется-таки
под прицелом астероида-убийцы, который мы не сможем
ни разрушить, ни отклонить.

Экзопланеты

Если заглянуть за пределы нашей Солнечной системы,
то там найдется еще одна причина для применения кван-
товых компьютеров — составление каталога планет, враща-
ющихся вокруг других звезд. Космический аппарат «Кеплер»
и другие спутниковые и наземные телескопы уже обнару-
жили около 5000 экзопланет в наших ближайших окрестно-
стях — в галактике Млечный Путь. Это означает, что в сред-
нем вокруг каждой звезды, которую мы видим на ночном
небе, обращается хотя бы одна планета. Примерно 20% эк-
зопланет относится к земному типу, так что даже в нашей
собственной галактике, возможно, имеются миллиарды зем-
леподобных планет помимо тех, что мы уже обнаружили.

Когда я учился в начальной школе, одной из первых по-
знавательных книг для меня стала книга о нашей Солнечной
системе, которая мне живо запомнилась. После чудесного
описания Марса, Сатурна, Плутона и того, что находится
еще дальше, в книге говорилось, что в нашей Галактике, ве-
роятно, есть и другие солнечные системы и что наша, веро-
ятно, не представляет собой ничего особенного. Вероятно,
во всех солнечных системах ближе к светилу располагаются
каменные планеты, а более далекие газовые гиганты, подоб-
ные Юпитеру, вращаются вокруг своего светила по круго-
вой траектории.

Сегодня мы понимаем, насколько неверны были все эти
предположения. Теперь мы знаем, что солнечные системы
бывают самых разных форм и размеров. Мало того, наша
Солнечная система довольно необычна. Мы видим солнеч-
ные системы с планетами на ярко выраженных эллиптиче-
ских орбитах. Видим газовые гиганты крупнее Юпитера
с орбитами, очень близкими к светилу. Видим солнечные
системы с несколькими светилами.

Так что однажды, когда у нас будет энциклопедия пла-
нет Галактики, мы будем поражены их разнообразием. Если
вы в состоянии вообразить какую-то странную и необыч-
ную планету, то вполне вероятно, в списке найдется и такая.

Чтобы отслеживать все возможные пути планетарной
эволюции, нам потребуются квантовые компьютеры. С за-
пуском в космос новых телескопов энциклопедия планет
будет испытывать взрывной рост, а для анализа атмосфер
этих планет, их химического состава, температуры, геоло-
гии, ветровых паттернов и других характеристик, которые
породят целые горы данных, потребуются громадные вы-
числительные ресурсы.
ЕТ в космосе?

Одна из целей, на которых сосредоточатся квантовые ком-
пьютеры, — это поиск иных разумных форм жизни. Воз-
никает деликатный вопрос: как мы распознаем разум, если
он, возможно, совершенно чужд нашему? Узнаем ли мы
инопланетную форму жизни, если она окажется прямо пе-
ред нами? Не исключено, что нам потребуются квантовые
компьютеры, чтобы увидеть закономерности, полностью
скрытые от наших традиционных компьютеров.

Астроном Фрэнк Дрейк в 1950-е предложил уравнение,
при помощи которого попытался оценить количество разви-
тых цивилизаций в нашей Галактике. Для начала берем юо
млрд звезд в Галактике и начинаем уменьшать это число по-
средством разумных предположений. Сначала уменьшаем
его в соответствии с долей звезд, обладающих планетами,
затем — с долей звезд, обладающих планетами с атмосфе-
рой, затем — с долей звезд, обладающих планетами с атмо-
сферой и океанами, затем — с микробной жизнью и т. п.
Неважно, много или мало вы сделаете разумных предпо-
ложений об этих планетах, окончательное число обычно
получается порядка нескольких тысяч.

Тем не менее проект SETI (Поиск внеземного разума)
не нашел никаких признаков разумных радиосигналов
из космоса. Вообще никаких. Мощные радиотелескопы
SETI в Хэт-Крик возле Сан-Франциско записывают только
мертвое молчание или статику. Так что парадокс Ферми
остается в силе: если вероятность существования разум-
ной инопланетной жизни во Вселенной так высока, то где
они все?

Возможно, квантовые компьютеры помогут нам отве-
тить на этот вопрос. Поскольку они прекрасно умеют про-
сеивать громадные массивы данных в поисках скрытых
ключей, а искусственный интеллект замечательно учится
распознавать новое, отыскивая закономерности, то вместе
они, вполне вероятно, научатся распахивать горы данных
и находить скрытую в них информацию, даже если она ока-
жется странной или совершенно неожиданной.

К подобным вещам я прикоснулся, когда вел программу
об инопланетном разуме для Science Channel, где мы анали-
зировали интеллект нечеловеческих земных видов, таких
как дельфины. Меня запустили в бассейн вместе с несколь-
кими игриво настроенными дельфинами. Задача состояла
в том, чтобы заставить их общаться между собой и посмо-
треть, сможем ли мы при этом измерить их интеллект. Раз-
мещенные в воде датчики должны были записывать весь
их стрекот и посвистывания.

Как может компьютер найти признаки разума в этой
массе случайного на первый взгляд шума и тарабарщины?
Подобные записи можно прогонять через компьютерную
программу, предназначенную для поиска конкретных зако-
номерностей. К примеру, в английском языке из всех букв
алфавита чаще всего используется буква «е». Работая с запи-
сями конкретного человека, можно определить частотность
употребления им каждой буквы, причем у каждого человека
рейтинг букв алфавита по частотности употребления будет
свой. Рейтинги двух разных людей обязательно различа-
ются, хотя бы немного. Этот факт вполне разумно исполь-
зовать для определения подделок. Так, если прогнать через
эту программу все работы Шекспира, то можно определить,
не написана ли какая-то из его пьес другим человеком.

Анализируя записи дельфинов при помощи компью-
тера, мы поначалу слышали только случайную последо-
вательность звуков. Но программа была разработана та-
ким образом, чтобы определять частотность использования
определенных звуков, — ив итоге компьютер пришел
к выводу, что в стрекоте и посвистываниях заключен ритм

и смысл.
Этот же метод исследования применялся и к другим
животным: оказалось, что с переходом к более примитив-
ным организмам показатели интеллекта быстро падают.
Фактически к моменту анализа насекомых всякие признаки
интеллекта исчезли практически полностью.

Квантовые компьютеры способны легко просеять этот
громадный набор данных в поисках интересных сигналов,
а ИИ-системы можно научить поиску в них неожиданных
закономерностей. Иными словами, не исключено, что ИИ
и квантовые компьютеры, работая совместно, сумеют оты-
скать свидетельства разумности даже в мешанине хаотич-
ных сигналов из космоса.

Звездная эволюция

Еще одна из ближайших областей применения квантовых
компьютеров — заполнение пробелов в наших представ-
лениях о звездной эволюции и жизненном цикле звезд,
от рождения до окончательной смерти.

Когда я получал докторскую степень по теоретической
физике в Калифорнийском университете в Беркли, мой со-
сед по комнате защищался по астрономии. Каждый день он
прощался со мной и заявлял, что идет печь звезду. Я думал,
что он шутит. Невозможно печь звезды. Многие из них
больше нашего Солнца. Однажды я спросил его, что он
имеет в виду, когда говорит, что будет печь звезду. Он заду-
мался на мгновение, а потом рассказал, что уравнения, опи-
сывающие звездную эволюцию, неполны, но достаточно
проработаны, чтобы с их помощью можно было смоде-
лировать жизненный цикл звезды с рождения до смерти.

Каждое утро он вводил параметры пылевого облака из га-
зообразного водорода в компьютер (такие как размеры об-
лака, содержание газа в нем, температура и т. п.). Затем ком-
пьютер принимался считать, как должно будет развиваться
такое газовое облако. К обеду облако схлопывалось под дей-
ствием силы тяжести, прогревалось — и вспыхивало звездой.
К вечеру эта звезда уже горела миллиарды лет и действовала
как космическая печь, где водород сливался, или «спекался»,
образуя всё более тяжелые элементы — гелий, литий и бор.

Мы многое узнали при помощи подобных моделей.
В случае нашего Солнца после 5 млрд лет горения оно ис-
черпает большую часть своих запасов водородного топлива
и начнет жечь гелий. В этот момент светило начнет быстро
раздуваться, превращаясь в красный гигант настолько боль-
шой, что, если смотреть с Земли, он заполнит небо и про-
тянется по всему горизонту. Он поглотит планеты вплоть
до Марса. Небо будет пылать огнем. Океаны вскипят, горы
расплавятся, и все вновь станет Солнцем. Из звездного
праха мы вышли и в звездный прах возвратимся.

Поэт Роберт Фрост однажды написал:

Одни считают: гибель мирозданья

Случится ото льда, другие — от огня.

Изведав страстный пыл желанья,

Я с теми, кто за пыл огня.

Но если миру дважды исчезать,

Мне ненависти хватит, чтоб сказать,

Что для уничтоженья лед

Хорош

И тоже подойдет*.

Со временем Солнце истощит свои запасы гелия
и съежится, превратившись в белого карлика, который бу-
дет размером всего лишь с Землю, но весить будет почти

Перевод Б. Зверева.
столько же, сколько изначально весило Солнце. После осты-
вания белый карлик станет мертвым черным карликом. Так
что будущее нашего Солнца — умереть во льду, а не в огне.

Однако по-настоящему массивные звезды в фазе крас-
ного гиганта будут вести себя иначе. В них будет протекать
синтез все более тяжелых элементов, пока не дойдет до же-
леза, в котором так много протонов, что они отталкиваются
друг от друга, — и поэтому синтез наконец завершится. За-
тем звезда, в которой уже не будут протекать процессы син-
теза, схлопнется под действием гравитации, и температура
там, возможно, взлетит до триллионов градусов. Именно
в этот момент звезда взрывается с образованием сверхно-
вой, и происходит одна из крупнейших катастроф в природе.

Так что гигантская звезда действительно может умереть
в огне, а не во льду.

Увы, в наших расчетах жизненного цикла звезд — от га-
зового облака до сверхновой — по-прежнему много про-
белов. Но, если процессы синтеза будут моделироваться
на квантовых компьютерах, нам, возможно, удастся мно-
гие из них заполнить.

Это может дать принципиально важную информацию
и перед лицом другой серьезной угрозы — чудовищной
солнечной вспышки, способной отбросить нашу цивили-
зацию на сотни лет назад. Чтобы предсказать смертельно
опасную солнечную вспышку, необходимо знать динамику
процессов в глубине звезды, что далеко выходит за пределы
возможностей традиционного компьютера.

Событие Кэррингтона

К примеру, мы очень мало знаем о внутреннем устройстве
нашего Солнца и потому беззащитны перед катастрофи-
ческими вспышками солнечной энергии, посылающими
в открытый космос громадное количество сверхгорячей
плазмы. Мы лишний раз вспомнили о том, как мало знаем
о Солнце, в феврале 2022 г., когда гигантский выброс сол-
нечной радиации обрушился на атмосферу Земли и уни-
чтожил 40 из 49 спутников связи, отправленных на орбиту
ракетой SpaceX Илона Маска. Это стало крупнейшей сол-
нечной катастрофой в современной истории, и такое вполне
может произойти снова, поскольку о корональных выбросах
массы нам многое еще только предстоит узнать.

Самая крупная в известной нам истории вспышка
на Солнце, получившая название «Событие Кэррингтона»,
произошла в 1859 г. Эта чудовищная солнечная вспышка
сожгла телеграфные провода на большей части террито-
рии Европы и Северной Америки. Она породила атмосфер-
ные возмущения по всей планете — ночное небо над Ку-
бой, Мексикой, Гавайскими островами, Японией и Китаем
из конца в конец сверкало и переливалось северным сия-
нием. Ночью в Карибском море в свете северного сияния
можно было читать газету. В Балтиморе сияние освещало
все вокруг лучше, чем полная луна. Один золотодобытчик
по имени Ч. Ф. Герберт, ставший свидетелем этого истори-
ческого события, оставил весьма красочное его описание.

Передо мной предстал вид почти невыразимой кра-
соты... Свет всех мыслимых оттенков исходил из юж-
ной части неба, причем один оттенок тускнел только для
того, чтобы уступить место другому, еще более прекрас-
ному, если это возможно... Это незабываемое зрелище,
в то время его сочли величайшим в истории северным
сиянием... Рационалист и пантеист увидели в нем при-
роду в ее самых изысканных одеяниях... Люди суеверные
и фанатики испытали ужасные предчувствия и сочли его
предвестником Армагеддона и окончательной гибели1.
Событие Кэррингтона произошло в тот период, когда
век электричества только зарождался. С тех пор не раз
предпринимались попытки восстановить данные и оце-
нить по ним, что могло бы произойти, если бы аналогич-
ное событие повторилось в наше время. В 2013 г. исследо-
ватели из компании Lloyd's в Лондоне и Atmospheric and
Environmental Research (AER) в США пришли к выводу,
что сегодня аналог События Кэррингтона мог бы нанести
человечеству ущерб до 2,6 трлн долларов.

В случае такого события современная цивилизация
могла бы попросту встать. Подобная солнечная вспышка вы-
била бы наши спутники и интернет, вызвала бы короткие за-
мыкания в мощных линиях электропередачи, парализовала
все финансовые коммуникации и вызвала глобальное отклю-
чение электричества. Учитывая, что запасы многих продук-
тов сгнили бы, со временем это привело бы к массовым про-
довольственным бунтам и распаду общественного порядка,
а возможно, и к ликвидации правительств, пока люди отча-
янно пытались бы найти себе хотя бы какое-то пропитание.

Произойдет ли такое событие вновь? Да. Когда? Никто
не знает. Некоторое представление об этом можно полу-
чить из анализа предыдущих событий Кэррингтона. Ученые
пытаются найти свидетельства доисторических солнечных
вспышек в ледяных кернах, ориентируясь на концентрацию
углерода-14 и бериллия-ю. Исследования указывают на воз-
можные вспышки в 774-775 гг. и в 993-994 гг. Мало того, дан-
ные ледяных кернов за 774-775 гг. показывают, что тогдаш-
нее событие могло быть в десять раз более мощным, чем
последнее Событие Кэррингтона. (А солнечная вспышка
993-994 гг. была настолько интенсивной, что оставила свой
след в тогдашних деревьях, при помощи которых историки
сегодня датируют ранние поселения викингов в Америке.)
Но тогда, до начала Эры электричества, человеческая ци-
вилизация, по существу, ничего не заметила.
Крупнейшая солнечная вспышка в недавней истории
произошла в 2001 г. Тогда наблюдался громадный коро-
нальный выброс массы, которую вышвырнуло в космос
со скоростью более 7 млн км/ч. К счастью, эта вспышка
в Землю не попала. В противном случае она могла бы вы-
звать по всей планете масштабные разрушения, сравнимые
с Событием Кэррингтона.

Ученые неоднократно отмечали, что к следующему Со-
бытию Кэррингтона можно подготовиться, если выделить
средства на усиление спутников, защиту чувствительной
электроники и строительство дублирующих электростан-
ций. Это было бы небольшой платой за предотвращение
катастрофических потерь в системе электроснабжения.
Но, как правило, подобные предупреждения игнорируются.

Физики знают, что корональные выбросы массы проис-
ходят в тех случаях, когда магнитные силовые линии на по-
верхности Солнца перекрещиваются, выплевывая в космос
громадное количество энергии. Но что при этом происхо-
дит внутри Солнца, что создает такие условия, неизвестно.
Фундаментальные уравнения для плазмы, термодинамики,
синтеза, конвекции, магнетизма и т. п. известны, но реше-
ние их в тех условиях, что существуют внутри Солнца,
не под силу современным компьютерам.

Так что когда-нибудь квантовые компьютеры, возможно,
сумеют распутать сложные уравнения внутри Солнца и, со-
ответственно, помогут предсказать, когда следующая ги-
гантская солнечная вспышка может угрожать цивилизации.
Мы знаем, что глубоко внутри Солнца должны существо-
вать мощные конвекционные потоки сверхгорячей плазмы,
но не имеем представления, когда случится следующая сол-
нечная вспышка и попадет ли она в Землю. Так что если
квантовый компьютер сможет «выпекать» в своей памяти
звезды, то нам, вероятно, удастся подготовиться к следую-
щему Событию Кэррингтона.
Но квантовые компьютеры способны даже на боль-
шее — они смогут проникнуть в тайну величайшего ката-
клизма во Вселенной. Да, Событие Кэррингтона может па-
рализовать целый континент, но гамма-всплеск в состоянии
привести к гораздо более страшным результатам — спалить
какую-нибудь солнечную систему целиком.

Гамма-всплески

В 1967 г. в космосе произошло загадочное событие. Спут-
ник Vela, запущенный США специально для обнаружения
необъявленных взрывов ядерных бомб, зарегистрировал
странное излучение громадного всплеска гамма-лучей. Этот
гигантский импульс пришел из неизвестного источника
и породил чертовски серьезную игру в угадайку. Что это?
Русские испытывают неизвестное оружие беспрецедентной
мощности? Или какая-то нарождающаяся нация проводит
испытания нового высокотехнологичного оружия? Неужели
разведка США все упустила?

В Пентагоне в полный голос зазвучал сигнал тревоги.
Лучших ученых тут же попросили определить характер
и источник этой аномалии. Вскоре после этого были заре-
гистрированы новые гамма-всплески. Специалисты Пента-
гона вздохнули с облегчением, когда их источник удалось
наконец идентифицировать. Сигналы исходили не из Со-
ветского Союза, а из далеких галактик. Ученые с изумле-
нием обнаружили, что эти всплески длились всего по не-
скольку секунд, но излучения испускали больше, чем целая
галактика. Мало того, в них высвобождалось больше энер-
гии, чем должно выпустить Солнце за все свои ю млрд лет
жизни. Это были крупнейшие взрывы во всей Вселенной,
уступающие только самому Большому взрыву.
Поскольку гамма-всплески обычно длятся по нескольку
секунд, а затем затухают, систему раннего предупреждения
о них создать очень трудно. Однако со временем была раз-
работана сеть спутников, которые должны регистрировать
эти события сразу при возникновении и немедленно опо-
вещать об этом наземные детекторы, чтобы те успели наве-
стись на них в реальном времени.

В наших представлениях о гамма-всплесках зияет мно-
жество прорех, но главная теория состоит в том, что они
представляют собой либо столкновения между нейтрон-
ными звездами и черными дырами, либо схлопывание
звезд в черные дыры. Не исключено, что это — финаль-
ные стадии жизни звезд. И без квантовых компьютеров,
вероятно, нам не обойтись: только они смогут объяснить,
почему звезды, достигнув конца своего жизненного цикла,
испускают так много энергии.

Некоторые из потенциальных опасностей, которые мо-
гут исходить от взрывающихся звезд, не так уж далеки
от Земли. Мало того, некоторые атомы вашего тела, воз-
можно, были «приготовлены» миллиарды лет назад какой-
нибудь древней сверхновой. Как мы уже упоминали, звезды
наподобие нашего Солнца сами по себе недостаточно го-
рячи, чтобы создавать элементы тяжелее железа, такие как
цинк, медь, золото, ртуть и кобальт. Эти элементы возникли
в горниле взрыва какой-нибудь сверхновой, который про-
изошел за миллиарды лет до рождения нашего Солнца. Так
что само присутствие этих элементов в нашем теле свиде-
тельствует о том, что когда-то в нашей части Галактики об-
разовалась сверхновая. Более того, некоторые ученые пред-
полагают, что ордовикско-силурийское вымирание 500 млн
лет назад, уничтожившее 85% всей водной жизни на Земле,
было запущено недалеким гамма-всплеском.

А если ближе к делу, звезда — красный гигант Бетель-
гейзе, от которой до Земли 500-600 световых лет, неста-
бильна и в какой-то момент, скорее всего, взорвется и пре-
вратится в сверхновую. Это вторая по яркости звезда
в созвездии Ориона. Она расположена не так уж далеко
от нас, так что, когда она наконец взорвется, будет светить
по ночам ярче луны и даже отбрасывать тень. Недавно Бе-
тельгейзе пережила заметные изменения яркости и формы,
что вызвало предположения о том, что звезда стоит на по-
роге взрыва, однако по этому вопросу по-прежнему идут
яростные споры.

Главное, однако, здесь в том, что мы многого не пони-
маем в сверхновых и пробелы в наших знаниях, вероятно,
помогут заполнить квантовые компьютеры. Когда-нибудь
квантовые компьютеры расскажут нам историю жизни
звезд, включая Солнце, во всех подробностях, а также ука-
жут на потенциально опасные нестабильные звезды в на-
ших окрестностях.

Но особенно большой интерес привлекают к себе конеч-
ные продукты сверхновых — черные дыры.

Черные дыры

Моделирование черных дыр способно очень быстро ис-
тощить вычислительные мощности обычного цифрового
суперкомпьютера. Для крупной звезды — раз примерно
в 10-50 более массивной, чем наше Солнце, — существует
возможность взрыва с образованием сверхновой, превра-
щением в нейтронную звезду и, вероятно, схлопыванием
в черную дыру. Никто на самом деле не знает, что проис-
ходит, когда массивная звезда схлопывается под действием
гравитации, поскольку и законы Эйнштейна, и квантовая
теория здесь начинают отказывать, и становится ясно, что
нужна новая физика.
Рис. 12. Квантовые компьютеры и черные дыры

Согласно теории относительности, вращающаяся черная
дыра может схлопнуться в кольцо нейтронов, способное
соединить две различные области пространства-
времени, образовав кротовую нору, или ворота между
двумя вселенными. Но потребуется, вероятно, квантовый
компьютер, чтобы определить, насколько они стабильны
с учетом квантовых поправок.

Mapping Specialists Ltd.

К примеру, если мы просто следуем за математическими
выкладками Эйнштейна, то черная дыра схлопнется внутри
загадочной темной сферы, называемой горизонтом событий.
Фотография такой сферы была получена в 2021 г., для чего был
сведен воедино свет с целой серии радиотелескопов, располо-
женных в разных точках Земли; по существу, таким образом
мы получили радиотелескоп размером с планету. Он показал,
что горизонт событий в сердце галактики М87, находящейся
за 53 млн световых лет от Земли, представляет собой темную
сферу, окруженную сверхгорячими светящимися газами.

Что лежит внутри горизонта событий? Никто не знает.
Когда-то считалось, что черная дыра может схлопнуться
в сингулярность — сверхкомпактную точку невообразимой
плотности. Но эта картина изменилась, поскольку мы ви-
дим, как черные дыры вращаются с огромными скоростями.
Теперь физики считают, что черная дыра может схлопы-
ваться не в точку, а во вращающееся кольцо нейтронов, где
обычные понятия о пространстве и времени переворачива-
ются с ног на голову. Математика утверждает, что, пройдя
сквозь это кольцо, вы, возможно, вовсе не умрете, а попа-
дете в некую параллельную вселенную. Таким образом, вра-
щающееся кольцо становится кротовой норой — воротами
в другую вселенную по ту сторону черной дыры.

Это вращающееся кольцо ведет себя почти так же, как
зеркало Алисы. С одной стороны зеркала у вас плавные,
поросшие травой холмы Оксфорда, но если пройти сквозь
него, то попадешь в параллельную вселенную Страны Чудес.

К несчастью, математике черных дыр доверять нельзя, по-
скольку следует учитывать также квантовые эффекты. Не ис-
ключено, что квантовые компьютеры смогут смоделировать
для нас теорию Эйнштейна и квантовую теорию в случае,
когда пространство и время перекручены в центре черной
дыры. В этих условиях уравнения оказываются сильно сцеп-
лены. Во-первых, у нас имеется энергия тяготения и склады-
вания пространства-времени. Далее, имеется энергия различ-
ных элементарных частиц. Но эти частицы, в свою очередь,
обладают собственным гравитационным полем, которое
смешивается с первоначальным полем сложным образом.
Так что у нас в итоге оказывается клубок уравнений, каж-
дое из которых влияет на остальные, в чрезвычайно замыс-
ловатой смеси, которую ни за что не осилят традиционные
компьютеры, но с которой, возможно, справятся квантовые.

Но квантовые компьютеры, возможно, также помогут
нам ответить на деликатный и древний, как мир, вопрос.
Из чего сделана Вселенная?

Темная материя

После 2ооо лет рассуждений и бесчисленных эксперимен-
тов мы по-прежнему не можем ответить на простой вопрос,
заданный еще древними греками: из чего состоит мир?
Самые элементарные школьные учебники утверждают,
что Вселенная состоит в основном из атомов. Но сегодня
мы знаем, что это утверждение неверно. На самом деле Все-
ленная состоит главным образом из загадочных и невиди-
мых темной материи (ее также называют скрытой массой)
и темной энергии. Большая часть Вселенной темна, поэтому
наши органы чувств ее не фиксируют, а наши телескопы
не способны ее изучить.

Предположение о существовании некой темной мате-
рии первым высказал лорд Кельвин в 1884 г. Он заметил,
что масса, которая оправдала бы наблюдаемое вращение
нашей Галактики, намного больше суммарной массы вхо-
дящих в нее звезд. Он заключил, что на самом деле боль-
шинство звезд в Галактике темные и не светятся. Позже
астрономы, такие как Фриц Цвикки и Вера Рубин, подтвер-
дили это странное наблюдение; стало окончательно ясно,
что Галактика и звездные скопления вращаются слишком
быстро и, согласно нашим уравнениям, должны были бы
разлететься на части. Так, наша Галактика вращается при-
мерно в десять раз быстрее, чем можно было бы ожидать.
Но из-за сильной веры, с которой астрономы относились
к теории всемирного тяготения Ньютона, этот результат
по большей части игнорировали.

За прошедшие десятилетия выяснилось, что не только
галактика Млечный Путь, но и другие галактики демонстри-
руют то же самое занятное явление. Астрономы начали по-
нимать, что в галактиках содержится какая-то невидимая
темная материя, которая и удерживает их в целости. Полу-
чалось, что это гало во много раз массивнее самой галак-
тики. Судя по всему, эта загадочная темная материя состав-
ляет большую часть Вселенной.

(Еще более загадочна темная энергия, которая напол-
няет вакуум космоса и даже вызывает расширение Вселен-
ной. Хотя темная энергия составляет до 68% известного
вещества/энергии во Вселенной, о ней почти ничего не из-
вестно.)

В этой таблице приведены самые свежие данные о том,
из чего, по мнению ученых, состоит мир:

Темная энергия	68%
Темная материя	27%
Ни Не	5%
Более тяжелые элементы	0,1%

Сегодня мы понимаем, что многие химические эле-
менты, из которых состоит наше тело, представляют лишь
около o,i% состава Вселенной. Мы — настоящие анома-
лии. Но то, что составляет большую часть Вселенной, об-
ладает странными свойствами. Поскольку темная материя
не взаимодействует с обычным веществом, то, если вы за-
черпнете ее ладонью, она просто пройдет прямо сквозь
пальцы и упадет на пол. Но не остановится там; она про-
должит падать дальше, сквозь грунт и бетон, как будто бы
Земли здесь вовсе нет. Она будет падать сквозь земную
кору и мантию и дальше, к антиподам. Там темная мате-
рия постепенно сменит направление под действием земной
гравитации и двинется обратно, туда, откуда пришла, пока
не достигнет наконец снова вашей руки. В дальнейшем она
так и будет летать туда-обратно сквозь планету.

Сегодня у нас есть карты распределения этой невиди-
мой материи. Способ, при помощи которого мы опреде-
ляем присутствие невидимой темной материи, аналогичен
тому, как вы определяете присутствие стекла в ваших оч-
ках. Стекло искажает свет, и вы можете наблюдать резуль-
тат его действия. Темная материя искажает свет приблизи-
тельно так же. Поэтому, введя поправку на преломление
света в темной материи, мы можем построить трехмерную
карту ее распределения в пространстве. Вряд ли стоит удив-
ляться, что темная материя, по результатам исследований,
сосредоточена вокруг галактик и удерживает их в целости.

Но мы, к сожалению, не знаем, что представляет собой
темная материя. Судя по всему, это субстанция, которой мы
никогда раньше не видели, нечто, лежащее вне Стандарт-
ной модели элементарных частиц.

Так что ключом к решению загадки темной материи
может стать понимание того, что лежит за пределами Стан-
дартной модели.

Стандартная модель
элементарных частиц

Квантовые компьютеры, как мы уже видели, используют
в своих вычислениях противоречащие здравому смыслу
законы квантовой механики. Но и сама квантовая меха-
ника не стоит без дела. Она развивается по мере того, как
все более крупные ускорители частиц сталкивают протоны
между собой, чтобы выяснить основные составляющие ма-
терии. В настоящее время самым мощным ускорителем
в мире является Большой адронный коллайдер возле Же-
невы в Швейцарии — самый большой научный инстру-
мент из когда-либо построенных. Он представляет собой
трубку 26,7 км длиной с магнитами настолько мощными,
что они способны разогнать протоны до энергии в 14 трлн
электрон-вольт.

В ходе съемок одного из сериалов Би-би-си, ведущим ко-
торого я был, я посетил Большой адронный коллайдер и даже
дотронулся до трубки в его сердцевине, когда ускоритель еще
только строился. У меня тогда дух захватило от осознания
того, что всего через несколько лет внутри этой трубки будут
мчаться протоны с умопомрачительной энергией.
После нескольких десятилетий усердной работы на ВАКе
физики наконец сошлись на так называемой Стандартной
модели, или теории почти всего. Мы видели, что старое
уравнение Шрёдингера способно объяснить взаимодей-
ствие электронов посредством электромагнитных сил. Од-
нако Стандартная модель в состоянии объединить электро-
магнитное взаимодействие со слабым и сильным ядерными
взаимодействиями.

Таким образом, Стандартная модель элементарных ча-
стиц представляет собой наиболее продвинутую версию
квантовой теории. Это венец работы десятков нобелевских
лауреатов и конечный продукт миллиардов долларов, по-
траченных на гигантские ускорители. Она по праву должна
была стать сверкающей вехой в ряду благороднейших до-
стижений человеческого духа.

К несчастью, это оказалось сплошной неразберихой.

Вместо того чтобы быть тончайшим продуктом боже-
ственного вдохновения, Стандартная модель — довольно
грубый винегрет из частиц. Это сбивающий с толку набор
элементарных частиц, в которых нет ни складу ни ладу.
Там содержится 36 кварков и антикварков, более 19 пара-
метров, которые можно менять по собственному желанию,
три поколения идентичных частиц — и кучка экзотиче-
ских частиц, среди которых, в частности, можно назвать
глюоны, W- и Z-бозоны, бозоны Хиггса и частицы Янга —
Миллса.

Такую теорию может любить только ее создатель. Это
все равно, что взять муравьеда, утконоса и кита, скрепить их
вместе скотчем и объявить это прекраснейшим творением
природы, конечным продуктом миллионов лет эволюции.

Что еще хуже, эта теория совсем не упоминает грави-
тацию и не в состоянии объяснить темную материю и тем-
ную энергию, которые вместе составляют чуть ли не всю
известную Вселенную.
Есть только одна причина, по которой физики изучают
эту неуклюжую теорию: она работает. Она, безусловно, опи-
сывает низкоэнергетический мир таких элементарных ча-
стиц, как мезоны, нейтрино, W-бозоны и т. п. Стандартная
модель настолько нелепа и некрасива, что большинство
ученых считают ее всего лишь самой низкоэнергетической
аппроксимацией какой-то более красивой теории, которая
существует на более высоких энергиях. (Перефразируя Эйн-
штейна, если вы видите львиный хвост, вы наверняка запо-
дозрите, что рано или поздно появится и лев.)

Но уже около 50 лет физики не видели никаких откло-
нений от Стандартной модели.

До настоящего момента.

Что там, за Стандартной моделью?

Первый намек на трещину в Стандартной модели посту-
пил в 2021 г. из Национальной ускорительной лаборатории
имени Ферми, расположенной возле Чикаго. Имеющийся
там громадный детектор частиц обнаружил небольшое от-
клонение в магнитных свойствах мю-мезонов (которые ча-
сто встречаются в космических лучах). Чтобы обнаружить
это крохотное отклонение, пришлось проанализировать
огромное количество данных, но, если находка подтвер-
дится, это будет свидетельствовать о существовании новых
сил и взаимодействий, помимо Стандартной модели.

Это могло бы означать, что нам удалось-таки заглянуть
в мир за пределами Стандартной модели, а здесь может
родиться новая физика, возможно теория струн.

Квантовые компьютеры превосходно справляются с за-
дачами поиска, им ничего не стоит отыскать ту самую иголку
в стоге сена. Многие физики считают, что рано или поздно
наши ускорители частиц обеспечат нас убедительными сви-
детельствами существования частиц помимо Стандартной
модели, и это раскроет перед нами подлинную простоту
и красоту Вселенной.

Физики уже используют квантовые компьютеры для
понимания загадочной динамики взаимодействий частиц.
На ВАКе два пучка высокоэнергетических протонов сталки-
вают друг с другом с энергией в 14 трлн эВ, получая энер-
гии, которые не наблюдались с начала Вселенной. Это ти-
таническое столкновение порождает гигантский ливень
субатомных обломков — и ошеломляющий объем данных
в триллион байт в секунду, которые затем анализируются
квантовым компьютером.

Помимо этого, физики уже строят планы по замене
Большого адронного коллайдера новой установкой под на-
званием Будущий кольцевой коллайдер; его тоже предпола-
гается построить в ЦЕРНе, в Швейцарии. При окружности
почти в юо км он легко затмит собой БАК с окружностью
около 27 км. Новый коллайдер будет стоить 23 млрд дол-
ларов и достигать астрономических энергий в юо трлн эВ.
Теперь уже он станет самым крупным научным инстру-
ментом на планете, намного превосходя возможных со-
перников.

Если он действительно будет построен, специалисты
сумеют на нем воспроизвести условия, существовавшие
в момент рождения Вселенной. Этот инструмент должен
подвести нас к окончательной теории — Теории всего,
поисками которой Эйнштейн занимался последние 30 лет
своей жизни, — и подвести так близко, как это в прин-
ципе возможно. Поток данных, генерируемых этой ма-
шиной, будет слишком велик для любого традиционного
компьютера. Иными словами, не исключено, что загадку
самого творения нам позволит разрешить именно кван-
товый компьютер.
Теория струн

На данный момент ведущим (и единственным) кандидатом
на роль квантовой теории, выходящей за рамки Стандарт-
ной модели, является теория струн2. Все конкурирующие
теории были отвергнуты: удалось показать, что они расхо-
дятся друг с другом, противоречивы или упускают из виду
какие-то принципиально важные аспекты природы. Лю-
бой из перечисленных дефектов фатален для физической
теории.

(Я получаю множество электронных писем от людей,
которые утверждают, что им удалось наконец найти Тео-
рию всего. Я отвечаю, что существует три критерия, кото-
рым должна соответствовать такая теория:

1.	Она должна включать в себя теорию гравитации
Эйнштейна.

2.	Должна содержать в себе всю Стандартную модель
элементарных частиц со всеми ее кварками, глюо-
нами, нейтрино и т. п.

3.	Должна быть конечна и свободна от аномалий.

Пока что единственной теорией, удовлетворяющей этим
трем простым критериям, остается теория струн.)

Теория струн гласит, что все элементарные частицы
не что иное, как музыкальные ноты на крошечных колеб-
лющихся струнах. Если представить себе резиновую ленту,
которая может колебаться с разными частотами, то теория
струн утверждает, что каждое колебание этой мизерной
резиновой ленты соответствует какой-то частице, так что
электрон, кварк, нейтрино и все прочие игроки Стандарт-
ной модели — как раз именно разные музыкальные ноты.
Тогда физика соответствует гармониям, которые легко вос-
произвести на этих струнах. Химия соответствует мело-
диям, создаваемым колеблющимися струнами. Вселенную
можно сравнить со струнной симфонией. И наконец, «Выс-
ший разум», упоминаемый Эйнштейном, должен соответ-
ствовать космической музыке, которой вторит Вселенная.

Примечательно, что, когда рассчитывается природа этих
колебаний, обнаруживается и гравитация, которая явно от-
сутствует в Стандартной модели. Таким образом, теория
струн дает нам важную причину полагать, что это и есть,
вероятно, теория всего. (Мало того, если бы Эйнштейн ни-
когда не родился, общая теория относительности была бы
открыта как побочный продукт теории струн, или как одна
из самых низких нот колеблющейся струны.)

Но если эта тория способна объединить как теорию гра-
витации, так и субатомные взаимодействия, то почему но-
белевские лауреаты расходятся во мнениях по ее поводу?
Одни говорят, что это тупиковое направление, а другие —
что это, возможно, и есть теория, которую не сумел найти
Эйнштейн. Одна из проблем этой теории — ее предсказа-
тельная способность. Дело в том, что она содержит в себе
не только Стандартную модель элементарных частиц,
но и многое другое. У нее может быть бесконечное мно-
жество решений, так что глаза разбегаются. И если это так,
то которое из решений описывает нашу Вселенную?

С одной стороны, мы понимаем, что все великие уравне-
ния имеют бесконечное множество решений. Теория струн
не исключение. Даже теория Ньютона может объяснить
бесконечное количество вещей, таких как движение бейс-
больных мячей, ракет, устойчивость небоскребов, полеты
авиалайнеров и т.д. Приходится заранее оговаривать, что
именно вы исследуете, то есть необходимо указать началь-
ные условия.

Но теория струн — это теория всей Вселенной. Таким
образом, вам нужно задать начальные условия Большого
взрыва. Но никто не знает, какие именно условия запустили
первоначальный космический взрыв, который привел к ро-
ждению нашей Вселенной.

Это называется проблемой ландшафта — тот факт, что
у теории струн, судя по всему, бесконечно много решений,
что создает обширный ландшафт возможностей. Каждая
точка на его поверхности соответствует некой вселенной,
а одна из этих точек, возможно, описывает свойства нашей
Вселенной.

Но которая из них наша? И что такое теория струн —
теория всего или теория чего угодно?

В настоящее время среди ученых нет единого мнения
по поводу решения этой проблемы. Одним из вариантов
может быть создание нового поколения ускорителей ча-
стиц, таких как уже упоминавшийся Будущий кольцевой
коллайдер, Кольцевой электронно-позитронный коллай-
дер, предлагаемый Китаем, или Международный линей-
ный коллайдер из Японии. Но нет никакой гарантии, что
даже такие амбициозные проекты способны разрешить этот
важный вопрос.

Возможно, ключ у квантовых
компьютеров

Моя собственная точка зрения состоит в том, что, воз-
можно, квантовые компьютеры смогут предложить нам
окончательный ответ на этот вопрос. Мы уже видели, как
в фотосинтезе природа использует квантовую теорию для
исследования громадного числа траекторий по принципу
наименьшего действия. Не исключено, что когда-нибудь
станет реальным загрузить теорию струн в квантовый ком-
пьютер для выбора верной траектории. Возможно, многие
траектории на имеющемся ландшафте нестабильны и бы-
стро разрушаются, оставляя лишь одно верное решение.
Вполне вероятно, наша Вселенная оказывается единствен-
ным стабильным вариантом.

Так что именно квантовые компьютеры могут оказаться
последним шагом в поиске Теории всего.

И существуют некоторые прецеденты. Теория, наилуч-
шим образом описывающая сильное ядерное взаимодей-
ствие, называется квантовой хромодинамикой (КХД). Это
теория элементарных частиц, которая связывает кварки
с образованием нейтрона и протона. Первоначально счита-
лось, что физики достаточно умны, чтобы решить КХД при
помощи чистой математики. Но это оказалось иллюзией.

Сегодня ученые-физики практически прекратили по-
пытки решать КХД вручную и вместо этого полагаются
на гигантские суперкомпьютеры, которые и должны решить
эти уравнения. Это называется квантовой хромодинамикой
на решетке: пространство и время делится на миллиарды
крохотных кубиков, образующих решетку. Уравнения реша-
ются для одного крохотного кубика, результат используется
для решения уравнений для соседнего кубика, и этот про-
цесс повторяется дальше и дальше. Таким образом, ком-
пьютер постепенно решает их для всех близлежащих куби-
ков, одного за другим.

Аналогично для решения со временем всех уравнений
теории струн нам, возможно, придется прибегнуть к по-
мощи квантовых компьютеров. Есть надежда, что из этого
процесса родится истинная теория Вселенной. Так что
вполне вероятно, что ключ к сотворению мира тоже хра-
нят квантовые компьютеры.
ГЛАВА 17

КОГДА-НИБУДЬ В 2050 ГОДУ

Январь 2oso г,, 6:оо
У вас звонит будильник, и вы просыпаетесь с силь-
нейшей головной болью.

Внезапно на настенном экране появляется
Молли, ваш персональный робот-помощник. Она жизне-
радостно объявляет:

— Шесть утра. Помните, вы просили вас разбудить?

Вы сонно отвечаете:

— О, как же у меня болит голова. Что я такого делал
вчера вечером?

Молли отвечает:

— Вы были на вечеринке, отмечали открытие нового
термоядерного реактора. Должно быть, выпили лишнего.

Постепенно в голове проясняется. Вы вспоминаете, что
работаете инженером в компании Quantum Technologies,
одном из крупнейших производителей квантовых компью-
теров в стране. Сегодня квантовые компьютеры, кажется,
повсюду, и на вчерашней вечеринке отмечали открытие
новейшего реактора синтеза — знаковое событие, ставшее
возможным благодаря как раз квантовым компьютерам.

Вы припоминаете, что какой-то репортер вчера спро-
сил вас:

— Почему все так радуются? Что за шумиха вокруг го-
рячего газа?
Вы ответили:

— Квантовые компьютеры наконец определили, как ста-
билизировать горячий газ внутри термоядерного реактора,
так что теперь можно извлекать почти неограниченную
энергию из процесса слияния водорода в гелий. Возможно,
это ключ к энергетическому кризису.

Это означает, что вскоре по всему миру откроются де-
сятки реакторов синтеза и состоится еще немало вечеринок,
где можно будет напиться. Открывается новая эра дешевой
возобновляемой энергии, и все благодаря квантовым ком-
пьютерам.

Но сейчас пора послушать новости. Вы говорите Молли:

— Включи, пожалуйста, утренние новости, раздел но-
вости науки.

Включается настенный экран. Всякий раз, слушая но-
вости науки, вы с удовольствием играете сами с собой: ко-
гда звучит очередная порция историй из мира науки, вы
пытаетесь определить, какие из них — если такие есть,
конечно, — стали возможны без участия квантовых ком-
пьютеров.

Ведущий объявляет:

— Правительство одобрило создание новой флотилии
сверхзвуковых реактивных самолетов, благодаря которым
сильно сократится время, затрачиваемое на пересечение
Тихого и Атлантического океанов.

Вы понимаете, что именно квантовые компьютеры при
помощи своих виртуальных аэродинамических труб нашли
верную аэродинамическую форму, исключившую громкий
звуковой удар при преодолении звукового барьера, и это
не в последнюю очередь сделало возможным создание но-
вого поколения сверхзвуковых лайнеров.

Далее ведущий объявляет:

— Наши астронавты на Марсе успешно построили боль-
шую солнечную панель и батарею супераккумуляторов, ко-
торая будет хранить энергию для колонии на Красной пла-
нете.

Вы знаете, что все это стало возможным благодаря кван-
товым компьютерам, создавшим супераккумуляторы, ко-
торые будут обеспечивать энергией марсианский форпост.
Кроме того, эти аккумуляторы снизили нашу зависимость
от угольных и нефтяных электростанций на Земле.

Следующее объявление:

— Врачи по всему миру говорят о появлении нового ле-
карства от болезни Альцгеймера, которое способно пред-
отвратить накопление амилоидного белка, вызывающего
это опасное заболевание. Это достижение может повлиять
на жизнь миллионов людей.

Вы гордитесь, что ваша компания работала на переднем
крае использования квантовых компьютеров для выделения
того конкретного типа амилоидного белка, который отве-
чает за болезнь Альцгеймера.

Слушая новости науки, вы мысленно улыбаетесь, по-
скольку снова — в который уже раз — все прозвучавшие
истории стали возможны, прямо или косвенно, благодаря
квантовым компьютерам.

Выслушав новости, вы бредете в ванную, принимаете
душ и чистите зубы. Наблюдая, как вода утекает в слив-
ное отверстие, вспоминаете, что вся она по умолчанию
направляется в биолабораторию, где анализируется на на-
личие раковых клеток. Миллионы людей счастливо не по-
дозревают о том, что несколько раз в день подвергаются
серьезной медицинской проверке при помощи кванто-
вого компьютера, связанного непосредственно с их ван-
ной комнатой.

Поскольку квантовые компьютеры теперь могут распо-
знавать раковые клетки за несколько лет до образования
опухоли, рак сделался чем-то вроде обычной простуды. По-
скольку в вашей семье были случаи рака, вы думаете про
себя: «Слава богу, рак сегодня уже не тот убийца, что пре-
жде».

Наконец, когда вы одеваетесь, настенный экран вклю-
чается вновь. На этот раз на нем появляется образ вашего
ИИ-доктора.

— Что на этот раз, док? Надеюсь, хорошие новости?

Робо-док, ваш персональный роботизированный врач,
отвечает:

— Ну, у меня есть и хорошие новости, и плохие. Начнем
с плохих. Проанализировав клетки в вашей сточной воде
за прошлую неделю, мы определили, что у вас рак.

— Так, это плохие новости; тогда что с хорошими? —
спрашиваете вы с беспокойством.

— Хорошая новость в том, что мы определили источ-
ник и нашли всего несколько сотен раковых клеток в вашем
легком. Беспокоиться не о чем. Мы проанализировали ге-
нетику этих раковых клеток и сделаем вам укол, который
подстегнет вашу иммунную систему на борьбу с этим ра-
ком. К нам только что доставили новую партию генетически
модифицированных иммунных клеток, созданных кванто-
выми компьютерами вашей компании для борьбы именно
с этим типом рака.

Вы чувствуете облегчение, а затем задаете следующий
вопрос:

— Скажите честно. Если бы ваши квантовые компью-
теры не заметили раковые клетки в моих биологических
выделениях, то что могло бы произойти, скажем, десять
лет назад?

Робо-док отвечает:

— Несколько десятилетий назад, до широкого распро-
странения квантовых компьютеров, у вас к настоящему мо-
менту было бы уже несколько миллиардов раковых клеток
и растущая опухоль в теле и вы умерли бы лет примерно
через пять.
Вы с трудом сглатываете. Вы гордитесь тем, что рабо-
таете на Quantum Technologies.

Внезапно Молли перебивает робо-дока:

— Только что получено сообщение. Экстренное совеща-
ние в главном офисе. Требуется ваше присутствие, немед-
ленно, лично.

«Ого», — говорите вы про себя. Обычно большая часть
рутинных задач выполняется в онлайн-режиме. Но на этот
раз они хотят, чтобы все прибыли персонально. Должно
быть, состоится важная встреча.

Вы говорите Молли:

— Отмени все мои планы и пошли за машиной.

Через несколько минут появляется ваш беспилотный ав-
томобиль, который увозит вас в офис. Движение на улицах
не слишком оживленное, поскольку миллионы встроенных
в дорожное полотно датчиков подключены к квантовым
компьютерам, а те управляют каждым светофором, секунда
за секундой, чтобы не допускать затруднений.

Прибыв на место, вы выходите из машины и произно-
сите:

— Отправляйся на парковку. И будь готова забрать
меня, как только тебя вызову.

Ваш автомобиль связывается с квантовым компьюте-
ром, регистрирующим все движение в городе, и получает
указание на ближайшее свободное парковочное место.

Вы входите в конференц-зал и видите на своих контакт-
ных линзах биографии присутствующих. Здесь все большие
шишки компании. Должно быть, важное совещание.

Президент компании обращается к собравшимся руко-
водителям:

— Я в высшей степени обеспокоен и должен объявить,
что на этой неделе наши квантовые компьютеры зареги-
стрировали вирус, никогда прежде не встречавшийся. Пер-
вая линия защиты от смертельно опасных вирусов — наша
международная сеть датчиков в сточных системах; именно
она зарегистрировала новый вирус возле границы с Таи-
ландом. Этот вирус застал нас врасплох. Он характеризу-
ется высокой летальностью и заразностью и возник, веро-
ятно, в какой-то птице. Мне не нужно напоминать вам,
что последняя пандемия обошлась США более чем в мил-
лион жизней и едва не разрушила мировую экономику.
Я отобрал группу наших лучших людей, чтобы они немед-
ленно отправились в Азию и проанализировали угрозу. Наш
сверхзвуковой лайнер готов к вылету. Вопросы?

Поднимаются руки. Многие вопросы задаются на дру-
гих языках, но ваши контактные линзы переводят все на ан-
глийский.

Вы так ждали тихих и приятных выходных. Но теперь
ваши планы рухнули. На этот раз летающий автомобиль до-
ставляет вас в аэропорт, где ждет сверхзвуковой лайнер. Вы
завтракаете в Нью-Йорке, обедаете над Аляской, а ужинаете
в Токио. После ужина — вечернее совещание. «Сверхзву-
ковые лайнеры, конечно же, намного лучше обычных, ведь
иначе пришлось бы потратить на перелет из Нью-Йорка
в Токио тринадцать мучительных часов», — размышляете
вы про себя.

Затем вы вспомните, как читали когда-то в начальной
школе истории о том кошмаре, что вызвала пандемия 2020 г.,
когда мир оказался совершенно не готов к борьбе с неизвест-
ным вирусом. Мало того, тогда умерли несколько ваших род-
ственников. Но на этот раз всё готово, все на месте.

На следующий день для вас проводят брифинг. Ваш
менеджер сообщает: «К счастью, квантовые компьютеры
сумели разобраться в генетике этого вируса, найти его мо-
лекулярные слабые точки и составить планы по созданию
вакцин, которые будут эффективны против этой болезни.
Все это проделано в рекордное время благодаря кванто-
вым компьютерам, которые также проанализировали все
документы железнодорожных и авиаперевозок, чтобы по-
смотреть, как вирус мог распространиться в другие страны.
В настоящее время датчики во всех крупных аэропортах
и на вокзалах уже откалиброваны так, чтобы улавливать
уникальный запах этого нового вируса».

После недели инспектирования лабораторий компании
вы летите обратно в Нью-Йорк в полной уверенности, что
ваша команда целиком контролирует новый вирус. Вы гор-
дитесь тем, что ваши усилия, возможно, спасли миллионы
жизней и предотвратили коллапс мировой экономики.

Вернувшись домой, вы спрашиваете Молли о ближай-
ших назначенных встречах.

— Что ж, на этот раз есть запрос на интервью с вами
от одного из крупнейших журналов на планете. Они гото-
вят большую статью для номера, посвященного квантовым
компьютерам. Мне договориться о встрече?

Встреча с журналисткой, когда она появляется у вас
в офисе, приятно вас удивляет. Сара хорошо подготовлена,
о многом осведомлена и очень профессиональна.

Сара говорит:

— Я постоянно слышу, что в наши дни квантовые ком-
пьютеры работают повсюду. Старые цифровые компью-
теры, как динозавры, отправляются на свалку. Кажется,
куда бы я ни пришла, квантовые компьютеры заменяют
прежнее поколение кремниевых компьютеров. Всякий
раз, когда я говорю по своему сотовому, мне напоминают,
что на самом деле я обращаюсь к квантовому компьютеру
где-то в облаке. Но скажите мне, при всем прогрессе по-
может ли это решить наши давние социальные проблемы?
Давайте будем реалистами. К примеру, поможет ли это на-
кормить бедных?

Вы отвечаете:

— На самом деле ответ «да». Квантовые компьютеры
раскрыли секрет извлечения азота из воздуха, которым
мы дышим ежедневно, и превращения его в ингредиенты
для удобрений. Это пролог ко Второй зеленой революции.
Скептики утверждали, что взрывной рост населения при-
ведет к голоду, войнам, массовой миграции, хлебным бун-
там и т. п. Ничего подобного не произошло благодаря кван-
товым компьютерам...

— Но подождите минутку, — прерывает вас Сара. —
А как насчет проблем с глобальным потеплением? Только
моргните, и интернет в ваших контактных линзах покажет
вам обширные лесные пожары, засухи, ураганы, наводне-
ния... Погода как будто сошла с ума.

— Да, — признаете вы, — за последнее столетие про-
мышленные предприятия выбросили в атмосферу огромное
количество углекислого газа, и теперь мы за это расплачива-
емся. Все прогнозы оправдались. Но мы боремся. Quantum
Technologies активно работает над созданием супераккуму-
лятора, способного хранить огромное количество электри-
ческой энергии, что должно сильно снизить ее стоимость
и ускорить наступление долгожданного века Солнца. Теперь
у нас есть энергия, даже если солнца на небе нет и ветер
не дует. Энергия от возобновляемых технологий, вклю-
чая термоядерные станции, которые открываются по всему
миру, сегодня — впервые в истории — обходится дешевле,
чем энергия от сжигания ископаемых видов топлива. Гло-
бальное потепление останавливается. Будем надеяться, что
мы успели вовремя.

— А теперь позвольте мне задать личный вопрос. Как
квантовые компьютеры повлияли на ваших родных и близ-
ких? — спрашивает Сара.

Вы печально отвечаете:

— Моя семья сильно пострадала от болезни Альцгей-
мера. Я видел собственными глазами, как это происходит,
на примере мамы. Поначалу она забывала то, что произо-
шло несколько минут назад. Затем она постепенно начала
бредить, говорить о событиях, которых никогда не было.
Потом она забыла имена всех своих близких. В конце кон-
цов она забыла, кто она такая. Но я горжусь, что кванто-
вые компьютеры сейчас близки к решению этой проблемы.
На молекулярном уровне квантовые компьютеры выделили
тот самый неправильно свернутый амилоидный белок, ко-
торый засоряет мозг. Лекарство от болезни Альцгеймера
вот-вот будет получено.

Далее она спрашивает:

— Чисто гипотетический вопрос. Много говорят о том,
что квантовые компьютеры вот-вот найдут способ замед-
лить или остановить процесс старения. Скажите, верны ли
эти слухи? Правда ли, что вы на пороге открытия источ-
ника вечной молодости?

Вы отвечаете:

— Всех подробностей мы пока не знаем, но это правда:
наши лаборатории сумели при помощи генной терапии
CRISPR и квантовых компьютеров исправить ошибки, вы-
званные старением. Мы знаем, что старение — это накоп-
ление ошибок в наших генах и клетках. И теперь мы ищем
способ их исправлять и таким образом замедлять или даже
обращать вспять процесс старения.

— Это подводит меня к последнему вопросу. Если бы
у вас была еще одна жизнь, кем бы вы хотели стать? К при-
меру, я, как журналист, очень хотела бы прожить еще одну
жизнь писателем и писать романы. А вы?

— Ну, — отвечаете вы, — сегодня возможность про-
жить несколько жизней не кажется такой уж невероятной.
Но если бы мне была подарена еще одна жизнь, я хотел бы
попробовать при помощи квантовых компьютеров отве-
тить на главный вопрос о Вселенной, то есть вопрос о том,
откуда она взялась. Почему случился Большой взрыв? Что
происходило до него? Мы, люди, слишком примитивны,
чтобы решать эти глобальные вопросы, но готов спорить,
что когда-нибудь квантовые компьютеры, возможно, най-
дут на них ответы.

— Найдут смысл Вселенной? Вау, вот это задача!
Но разве вы не боитесь того, что могут найти квантовые
компьютеры? — спрашивает она.

— Помните, что произошло в конце «Путеводителя для
путешествующих автостопом по Галактике»? После долгих
ожиданий и волнений гигантский суперкомпьютер наконец
рассчитывает смысл существования Вселенной. Но ответом
оказывается число сорок два. Конечно, это фантастический
роман. Но сегодня, мне кажется, мы могли бы попробовать
разгадать эту загадку при помощи квантовых компьютеров.
Правда-правда, — отвечаете вы.

После интервью вы пожимаете Саре руку и благодарите
за чудесную беседу. А затем деликатно приглашаете вме-
сте пообедать. Статья имеет огромный успех и рассказы-
вает миллионам людей о том, как квантовые компьютеры
изменили экономику, медицину и наш образ жизни. Еще
один бонус — то, что вы лучше узнали Сару.

Вы рады обнаружить, что у вас с ней много общего. Вы
оба — очень мотивированные и хорошо информированные
люди. Позже вы приглашаете ее в зал видеоигр компании
Quantum Technologies, где мощные квантовые компьютеры
создают самую реалистичную виртуальную реальность. Вы
веселитесь, играя вдвоем в разные глупые игры, в которых
при помощи мощного моделирования квантовых компью-
теров создаются фантастические и экзотичные сцены. В од-
ной из них вы исследуете открытый космос. В другой —
пляж на берегу океана. Затем — вершину высочайшей
горы. Вы поражены реалистичностью обстановки, вплоть
до мельчайших деталей. Но ваше любимое занятие — на-
блюдать восход полной луны над далекими горами. Видя,
как яркий лунный свет заливает лес, вы не можете не по-
чувствовать себя ближе к природе.
Вы говорите Саре:

— Ты знаешь, как я впервые заинтересовался наукой?
Когда познакомился с программой наблюдения за Луной,
с помощью которой астронавты начинают исследовать Все-
ленную.

Сара отвечает:

— Я тоже, но для меня, знаешь, главным было то, что
когда-нибудь я увижу, как по Луне шагает женщина.

Со временем, по мере сближения с ней, вы наконец на-
бираетесь смелости и просите Сару выйти за вас замуж; вы
безмерно счастливы, когда она говорит «да».

Но куда вы отправитесь в свой медовый месяц?

Наслушавшись новостей о падении цен на космические
путешествия и о полетах туристов в космос, она просит
у своей редакции разрешения на очередную большую ста-
тью.

— Я знаю отличное место для медового месяца, — го-
ворит Сара. — Хочу провести его на Луне.

эпилог

КВАНТОВЫЕ ГОЛОВОЛОМКИ

Космолог Стивен Хокинг сказал однажды, что фи-
зики — единственные из ученых, кто может произ-
нести слово «Бог» и не покраснеть при этом.

Однако, если бы вам по-настоящему захотелось увидеть,
как краснеют физики, вы могли бы задать им несколько
глубоких философских вопросов, на которые не существует
определенных ответов.

Вот короткий список вопросов на границе физики и фи-
лософии, способных поставить в тупик большинство физи-
ков. Кроме того, эти вопросы имеют отношение к кванто-
вым компьютерам, и мы рассмотрим их по очереди.

г. Был ли у Бога выбор при создании Вселенной?

Эйнштейн считал этот вопрос одним из самых глубоких
и важных, которые в принципе можно задать. Мог ли Бог
создать Вселенную как-то иначе?

2.	Является ли Вселенная моделью?

Правда ли, что все мы — лишь автоматы, обитающие
в какой-то видеоигре? Неужели все, что мы видим и де-
лаем, — всего лишь побочный продукт некой компьютер-
ной модели?
3.	Могут ли квантовые компьютеры вычислять в параллель-
ных вселенных?

Можно ли решить проблему измерений для квантовых ком-
пьютеров при помощи концепции мультивселенной?

4.	Является ли Вселенная квантовым компьютером?

Может ли все, что мы видим вокруг, от элементарных ча-
стиц до галактических скоплений, свидетельствовать о том,
что сама наша Вселенная представляет собой квантовый
компьютер?

Был ли у Бога выбор?

Значительную часть своей жизни Эйнштейн задавал себе
вопрос: уникальны ли законы нашей Вселенной, или они
представляют собой всего лишь один из нескольких воз-
можных вариантов? Когда человек впервые слышит о кван-
товых компьютерах, внутренние принципы их работы
кажутся ему странными и нелепыми. Представляется неве-
роятным, что на фундаментальном уровне электроны могут
демонстрировать такое неузнаваемое поведение, как быть
в двух местах одновременно, туннелировать сквозь твердые
барьеры, передавать информацию быстрее света и мгно-
венно анализировать бесчисленное количество траекто-
рий между любыми двумя точками. Мы спрашиваем себя,
неужели Вселенная действительно должна быть настолько
странной? Если бы у нас был выбор, разве не смогли бы мы
организовать законы физики иначе, более логично и ра-
зумно?

Разбираясь с запутанной проблемой и даже оказываясь
в тупике, Эйншейн часто говорил: «Бог хитер, но не зло-
намерен». Но когда Эйнштейну приходилось сталкиваться
с парадоксами квантовой механики, он рассуждал и так:
«Возможно, Бог все же злонамерен».

На протяжении всей истории ученые-физики любили
рассматривать воображаемые вселенные, которые подчи-
нялись иным наборам фундаментальных законов, чтобы
посмотреть, уникальны ли законы природы и можно ли
в принципе было создать с нуля лучшую Вселенную.

Этим вопросом, связанным с космосом, занимались
даже философы. Альфонсо Мудрый однажды сказал:
«Если бы я присутствовал при акте творения, я дал бы не-
сколько полезных советов, как лучше обустроить Вселен-
ную».

Шотландский судья и критик лорд Джеффри любил
жаловаться на все несовершенства нашей Вселенной. Он
говорил: «Черт бы побрал эту Солнечную систему. Осве-
щенность плохая, планеты слишком далеко, им надоедают
кометы; я и то сделал бы [Вселенную] лучше».

Однако ученые, как ни пытались, так и не смогли улуч-
шить законы квантовой физики. Обычно выясняется, что
альтернативы квантовой механике порождают вселенные,
которые нестабильны или страдают от какого-то фаталь-
ного скрытого недостатка.

Чтобы ответить на этот философский вопрос, так увле-
кавший Эйнштейна, физики для начала часто составляют
список тех качеств, которые хотели бы видеть у Вселенной.

Во-первых, и это главное, мы хотим, чтобы наша Все-
ленная была стабильна. Мы не хотим, чтобы она развали-
лась на ходу, оставив нас с пустыми руками.

Как ни удивительно, добиться выполнения этого кри-
терия чрезвычайно трудно. В качестве простейшего начала
можно было бы предположить, что мы живем в обычном
ньютоновском мире, где царствует здравый смысл. Это тот
мир, с которым все мы прекрасно знакомы. Допустим, этот
мир состоит из крохотных атомов, похожих на миниатюр-
ные солнечные системы, где электроны летают вокруг ядра,
подчиняясь законам Ньютона. Такая структура была бы ста-
бильна, если бы электроны двигались по идеальным кру-
говым орбитам.

Но если чуть потревожить один из этих электронов,
он может начать беспорядочно колебаться, и траектория
перестанет быть идеальной. Это значит, что со временем
электроны начнут сталкиваться между собой или падать
на ядро. Очень скоро произойдет коллапс атома, а элек-
троны попросту разлетятся в разные стороны. Иными сло-
вами, ньютоновская модель атома по природе своей неста-
бильна.

Представим, что произошло бы в этом случае с молеку-
лами. В мире, управляемом одной только классической ме-
ханикой, любая орбита вокруг двух ядер очень нестабильна
и разрушится при любом возмущении. Таким образом, мо-
лекулы в ньютоновском мире существовать не могут, так
что никаких сложных химических соединений не будет.
А Вселенная без стабильных атомов и молекул со време-
нем превратится в бесформенную взвесь беспорядочных
элементарных частиц.

Однако квантовая теория решает эту проблему, по-
скольку электрон описывается волной, и единственные дис-
кретные резонансы этой волны могут колебаться вокруг
ядра. Варианты, в которых эти электроны сталкиваются
и разлетаются прочь, уравнение Шрёдингера не допускает,
так что атом стабилен. В квантовом мире молекулы тоже
стабильны, поскольку образуются в тех случаях, когда элек-
тронные волны становятся общими для двух разных атомов
и возникают стабильные резонансы, которые и связывают
эти атомы воедино. Так образуется клей, способный обес-
печивать цельность молекул.

Таким образом, у квантовой механики и ее странных
свойств в определенной мере есть «цель» или «смысл». Для
чего квантовый мир настолько фантастичен? Очевидно,
для того, чтобы сделать вещество стабильным и плотным.
В противном случае наша Вселенная рассыпается.

Из этого, в свою очередь, следуют важные выводы для
квантовых компьютеров. Если попытаться модифицировать
уравнение Шрёдингера, которое служит для них фундамен-
том, то следует ожидать, что модифицированный кванто-
вый компьютер выдаст вместо результатов чепуху, такую
как нестабильная материя. Иными словами, единственный
способ, посредством которого квантовые компьютеры могут
строить стабильные вселенные, состоит в том, чтобы начи-
нать строительство с уравнения Шрёдингера. Квантовый
компьютер уникален. Возможно, существует множество спо-
собов, при помощи которых вещество может быть собрано
в квантовый компьютер (к примеру, с применением различ-
ных типов атомов), но есть только один способ, при помощи
которого квантовый компьютер может выполнять свои вы-
числения и при этом описывать стабильную материю.

Так что если нам нужен квантовый компьютер, спо-
собный манипулировать электронами, светом и атомами,
то у нас остается, вероятно, уникальная архитектура кван-
тового компьютера.

Вселенная как модель

Любой, кто видел фильм «Матрица», знает, что Нео — Из-
бранный. Он обладает сверхспособностями. Может взмыть
в небеса. А может уворачиваться от летящих пуль или оста-
навливать их в полете. Может мгновенно, всего лишь нажав
кнопку, обучиться карате. А может проходить сквозь зеркала.

Все это происходит потому, что на самом деле Нео жи-
вет в искусственной модели, управляемой компьютером.
Как жизнь в видеоигре, «реальность» на самом деле — это
воображаемый мир.

Но в этой связи возникает еще один вопрос: притом что
мощность компьютеров растет экспоненциально, возможно
ли, что на самом деле наш мир — всего лишь модель и что
известная нам «реальность» — это видеоигра, в которую
играет кто-то другой? Может ли быть, что все мы — лишь
строки кода и существуем до тех пор, пока кто-то не нажмет
наконец кнопку delete и не положит конец нашей бессмыс-
ленной суете? А если классический компьютер недоста-
точно мощен для моделирования реальности, то может ли
это сделать квантовый компьютер?

Давайте для начала зададим более простой вопрос:
может ли классическая вселенная вроде той, что описана
выше, быть ньютоновской моделью?

Представьте себе на мгновение пустую стеклянную бу-
тылку. Воздух внутри бутылки может содержать более чем
ю23 атомов. Чтобы смоделировать этот воздух точно при
помощи классического компьютера, вам нужно будет мани-
пулировать ю23 битами информации, что выходит далеко
за пределы возможностей такого компьютера. Чтобы полу-
чить идеальную модель атомов в бутылке, вам также необ-
ходимо будет знать положение и скорость всех этих ато-
мов. А теперь представьте попытку смоделировать погоду
на Земле. Для этого нужно знать влажность, атмосферное
давление, температуру и ветровую скорость воздуха вокруг
планеты. Объем памяти любого известного нам классиче-
ского компьютера быстро закончится.

Иными словами, наименьший объект, способный смо-
делировать погоду, — это сама погода.

Еще один способ увидеть эту проблему — рассмотреть
так называемый эффект бабочки. Взмахнув крылышками,
бабочка может создать волну воздуха, которая способна,
если сложатся подходящие условия, со временем породить
мощный ветер. Ветер, в свою очередь, может довести об-
лако до критической массы и вызвать ливень. Такой ре-
зультат дает теория хаоса, которая гласит, что, хотя моле-
кулы воздуха, возможно, подчиняются законам Ньютона,
совокупный эффект действия триллионов молекул воз-
духа хаотичен и непредсказуем. Так что прогнозирование
точной вероятности формирования ливня почти невоз-
можно. Хотя траекторию каждой отдельной молекулы мы
в состоянии определить, просчитать коллективное движе-
ние триллионов молекул воздуха не под силу никакому
цифровому компьютеру. И в этом случае моделирование
невыполнимо.

Но как насчет квантовых компьютеров?

При попытке моделировать погоду с участием кванто-
вого компьютера ситуация сильно ухудшается. Если у нас
имеется квантовый компьютер на 300 кубитов, то число
возможных состояний в нем составляет 2300, что превышает
число состояний во Вселенной. Конечно же, у квантового
компьютера хватит памяти, чтобы зашифровать всю извест-
ную нам «реальность».

Но не обязательно. Представьте себе сложную белко-
вую молекулу, которая насчитывает несколько тысяч ато-
мов. Чтобы смоделировать на квантовом компьютере всего
одну белковую молекулу, но без всяких аппроксимаций,
мы должны задействовать на нем намного больше состоя-
ний, чем существует во Вселенной. Но в нашем теле суще-
ствуют миллиарды этих белковых молекул. Так что, для
того чтобы по-настоящему смоделировать все белковые мо-
лекулы в нашем теле, нам, в принципе, потребуются мил-
лиарды квантовых компьютеров. Опять же, наименьший
объект, способный смоделировать Вселенную, — это сама
Вселенная. Собирать многие миллиарды квантовых ком-
пьютеров, чтобы смоделировать сложное квантовое явле-
ние, попросту непрактично.
Единственная «реальность», которую на самом деле
можно смоделировать, — это несовершенная реальность,
имеющая множество прорех и дефектов. Это наверняка
значительно снизит число состояний, которые нужно мо-
делировать. Если модель несовершенна, она может суще-
ствовать на самом деле. К примеру, некоторые области мо-
дели могут быть неполны. «Небо», которое вы видите над
собой, может иметь разрывы и прорехи, как на старой кино-
пленке. Или, если вы ныряльщик, вы можете считать своим
миром весь океан, пока не наткнетесь на стеклянную стену
и не поймете, что ваш мир есть всего лишь небольшая мо-
дель океана. Так что вселенная с подобными дефектами,
безусловно, возможна.

Параллельные вселенные

Когда-то Голливуду и разным комиксам легко было созда-
вать увлекательные воображаемые вселенные — доста-
точно было отправить героев в космос. Но теперь, когда
мы больше полувека запускаем ракеты в космос, это уже
не модно. Так что писателям-фантастам нужна новая со-
временная площадка, где могли бы разворачиваться их
фантастические сюжеты, и теперь такой площадкой стала
мультивселенная. Действие многих последних блокбасте-
ров происходит в параллельных вселенных, где супергерой
или суперзлодей существует во множестве реальностей.

В прошлом мне нравилось, в процессе просмотра научно-
фантастического кино, подсчитывать, сколько в нем нару-
шается законов физики. Но я перестал этим заниматься,
когда вспомнил слова Артура Кларка: «Любая достаточно
развитая технология неотличима от магии». Так что если
в кино очевидно нарушается какой-то известный закон фи-
зики, то, возможно, когда-нибудь ученым удастся показать,
что этот закон неверен или неполон.

Но теперь, когда кино обживает мультивселенную,
состоящую из множества параллельных вселенных, мне
приходится заново думать над вопросом о том, наруша-
ются в нем какие-то физические законы или нет. В дан-
ном случае кино, строго говоря, идет по следам физиков-
теоретиков, которые воспринимают идею мультивселенной
всерьез.

Причина в том, что теория множественности миров Хью
Эверетта возвращается. Как уже упоминалось, эта теория —
простейший и, возможно, самый элегантный способ раз-
решить проблему измерений. Просто отбросив последний
постулат квантовой механики — то, что волновая функция,
описывающая квантовое поведение, при наблюдении схло-
пывается, — теория множественности миров мгновенно
разрешает возникающий парадокс.

Однако за то, чтобы позволить электронной волне
распространяться, приходится платить. Если волна Шрё-
дингера имеет возможность свободно и самостоятельно
двигаться, без всякого схлопывания, то в результате она
разделится бесконечное число раз, породив бесконечный
каскад возможных вселенных. Так что вместо схлопыва-
ния до одной-единственной вселенной мы разрешаем бес-
конечному числу параллельных вселенных постоянно рас-
щепляться, порождая всё новые вселенные.

Среди физиков нет единого мнения по поводу этих па-
раллельных вселенных. К примеру, Дэвид Дойч полагает,
что в этом и заключается главная причина, благодаря кото-
рой квантовые компьютеры обладают такой мощностью, —
они вычисляют одновременно в различных параллельных
вселенных. Это вновь возвращает нас к старому парадоксу
Шрёдингера, где кот в ящике может быть одновременно
и жив, и мертв.
Стивен Хокинг, когда его спрашивали об этой раздра-
жающей проблеме, обычно говорил: «Когда я слышу про
кота Шрёдингера, я хватаюсь за пистолет».

Но существует и альтернативная теория, которая тоже
рассматривается, — так называемая теория декогеренции,
гласящая, что взаимодействие с внешней средой вызы-
вает схлопывание волны, то есть волна схлопывается сама
по себе, как только соприкасается со средой, поскольку
среда уже декогерировала.

Это означает, к примеру, что парадокс Шрёдингера можно
разрешить очень просто. Первоначальная проблема состояла
в том, что вы, пока не откроете коробку, не можете опреде-
лить, жив кот или мертв. Традиционный ответ гласит, что кот
и не жив, и не мертв, пока вы не открыли ящик. Новая же
теория говорит, что атомы кота уже находятся в контакте
со случайными атомами, плавающими в ящике, так что кот
декогерировал еще до того, как вы открыли ящик. Так что кот
уже жив или уже мертв (но не то и другое одновременно).

Иными словами, согласно традиционной Копенгаген-
ской интерпретации, кот декогерирует, только когда вы от-
крываете ящик и производите измерение. Согласно теории
декогеренции, однако, кот уже декогерировал, поскольку
молекулы воздуха соприкоснулись с волной кота и вызвали
ее схлопывание. Теория декогеренции заменяет в качестве
причины схлопывания волны экспериментатора, открыва-
ющего ящик, воздухом в самом ящике.

Споры в физике обычно разрешаются при помощи экс-
перимента. Физика основана не только на рассуждениях
и логике. Решающий фактор в ней — экспериментальные
данные. Но мне представляется, что и через несколько деся-
тилетий физики по-прежнему будут ломать копья по этому
вопросу, поскольку не существует такого эксперимента, ко-
торый мог бы однозначно исключить одну из этих интер-
претаций, по крайней мере пока не существует.
Лично я считаю, что в подходе, связанном с декогерен-
цией, кроется ошибка. При этом необходимо четко разли-
чать среду, то есть воздух (который некогерентен), и изучае-
мый объект (кота). В Копенгагенском подходе декогеренция
вносится экспериментатором. В декогерентном подходе она
вносится взаимодействием со средой.

Однако стоит нам ввести квантовую теорию гравитации,
и наименьшей единицей, которую мы квантуем, становится
сама Вселенная. Нет никакого различия между эксперимен-
татором, средой и котом. Все они — часть одной гигантской
волновой функции, волновой функции Вселенной, которую
невозможно разделить на отдельные составляющие.

В этом подходе, связанном с квантовой гравитацией,
не существует никакого реального различия между вол-
нами когерентными и волнами в воздухе, которые некоге-
рентны. Разница только в степени. (К примеру, если гово-
рить о Большом взрыве, то вся Вселенная перед взрывом
была когерентна. Поэтому даже сегодня, 13,8 млрд лет спу-
стя, существует некоторая когерентность между котом
и воздухом, которую мы по-прежнему можем обнаружить.)

Так что этот подход запрещает декогеренцию и воз-
вращает ситуацию вновь к интерпретации Эверетта. К со-
жалению, не существует эксперимента, который позво-
лил бы различить названные подходы. Оба они дают один
и тот же квантово-механический результат и различаются
лишь в интерпретации этого результата, а это вопрос фи-
лософский.

Это означает: что бы мы ни использовали — Копенга-
генскую интерпретацию, декогерентный подход или теорию
множественности миров, — мы получаем те же экспери-
ментальные результаты, так что все три подхода экспери-
ментально эквивалентны.

Единственное различие между этими тремя подхо-
дами состоит в том, что в многомировой интерпретации
в принципе можно перемещаться между различными па-
раллельными вселенными. Но если как следует посчитать,
получится, что вероятность этого настолько мала, что ее экс-
периментально не проверить. Как правило, получается так:
чтобы проникнуть в другую вселенную, параллельную на-
шей, придется ждать дольше, чем время жизни Вселенной.

Является ли Вселенная квантовым
компьютером?

Теперь давайте проанализируем возможность того, что
наша Вселенная представляет собой квантовый компьютер.

Вспомним, что Бэббидж в свое время задавался вполне
конкретным вопросом: насколько мощным можно сделать
аналоговый компьютер? Каковы пределы того, что вычис-
ляется посредством механических передач и рычагов?

Тьюринг расширил этот вопрос, задав себе следующий:
насколько мощным можно сделать цифровой компьютер?
Каковы пределы вычислений с применением электронных
компонент?

Следовательно, сейчас естественно будет спросить: на-
сколько мощным можно сделать квантовый компьютер? Ка-
ковы пределы вычислений посредством манипуляции отдель-
ными атомами? И поскольку Вселенная состоит из атомов:
не является ли сама Вселенная квантовым компьютером?

Эту идею предложил физик Сет Ллойд из МТИ. Это
один из очень немногих физиков, которые присутствовали
при самом начале, когда квантовые компьютеры только со-
здавались.

Я спросил Ллойда, как так случилось, что он оказался
связан с квантовыми компьютерами. Он рассказал, что
в юности его буквально завораживали числа. Особый ин-
терес вызывало то, что всего несколькими числами, если
воспользоваться правилами математики, можно описать
огромное количество объектов реального мира.

В университете, однако, он столкнулся с проблемой.
С одной стороны, были яркие студенты-физики, занимав-
шиеся теорией струн и физикой элементарных частиц.
С другой — студенты, занимавшиеся информатикой. А он
не мог выбрать, поскольку хотел работать в области кван-
товой информации, на стыке физики элементарных частиц
и информатики.

В физике элементарных частиц наименьшая единица
вещества — частица, такая как электрон. В теории инфор-
мации наименьшая единица информации — бит. А Ллойда
интересовала взаимосвязь между частицами и битами, что
ведет нас прямиком к квантовым битам.

Его идея о том, что наша Вселенная представляет со-
бой квантовый компьютер, вызвала споры. Поначалу она,
возможно, звучит нелепо, ведь, думая о Вселенной, мы
представляем себе звезды, галактики, планеты, животных,
людей, ДНК. Но, думая о квантовом компьютере, мы пред-
ставляем себе машину. Как это может быть одно и то же?

На самом деле между тем и другим существует глубо-
кая взаимосвязь. Можно создать машину Тьюринга, способ-
ную включить в себя все ньютоновские законы Вселенной.

Представьте себе, к примеру, игрушечный поезд на ми-
ниатюрной железной дороге. Дорога эта разделена на длин-
ную последовательность квадратиков, в каждый из кото-
рых мы помещаем число о или 1. о означает, что в данном
квадратике игрушечного поезда нет, i — что он находится
именно здесь. А теперь начнем двигать поезд вперед, ква-
дратик за квадратиком. Каждый раз, сдвигая поезд на один
квадратик, мы заменяем о в одном из квадратиков на 1. Та-
ким образом, поезд может плавно двигаться вдоль путей,
и число г отмечает его позицию в каждый момент времени.
А теперь заменим железнодорожный путь цифровой
лентой с нулями и единицами, а игрушечный поезд — про-
цессором. Всякий раз, когда процессор сдвигается на один
квадратик, мы заменяем о на i или наоборот.

Таким образом, мы можем взять игрушечный поезд
и превратить его в машину Тьюринга. Иными словами, ма-
шина Тьюринга способна моделировать ньютоновские за-
коны движения — фундамент классической физики.

Мы можем также модифицировать игрушечный поезд
таким образом, чтобы он регистрировал ускорения и более
сложные движения. Всякий раз, сдвигая поезд, мы увели-
чиваем промежутки между единицами, так что поезд бу-
дет ускоряться. Мы можем также обобщить движение иг-
рушечного поезда по трехмерным путям, или по решетке.
Таким образом мы зашифруем все законы ньютоновской
механики.

Теперь мы можем точно установить взаимосвязь между
машиной Тьюринга и законами Ньютона. При помощи ма-
шины Тьюринга мы в состоянии зашифровать любую клас-
сическую вселенную.

Далее, мы обобщаем все это на квантовые компью-
теры. Вместо игрушечного поезда с нулями и единицами
возьмем игрушечный поезд с компасом. Стрелка ком-
паса может указывать на север (это положение мы на-
зовем 1) или на юг (это положение назовем о), а может
быть повернута на любой промежуточный угол, где ее по-
ложение представляет суперпозицию севера и юга. Так
что по мере движения поезда по путям стрелка движется
по кругу и указывает разные направления, согласно урав-
нению Шрёдингера.

(Если хочется включить запутанность, можно добавить
на игрушечный поезд несколько компасов. Все их стрелки
по ходу поезда могут двигаться по-разному в соответствии
с правилами процессора.)
Когда поезд приходит в движение, стрелка компаса на-
чинает вращаться. Движение стрелки отслеживает инфор-
мацию, содержащуюся в волновом уравнении Шрёдингера.
Таким образом, при помощи игрушечного поезда мы мо-
жем вывести это волновое уравнение.

Суть здесь в том, что квантовая машина Тьюринга спо-
собна зашифровать законы квантовой механики, которые,
в свою очередь, управляют Вселенной. В этом смысле кван-
товый компьютер может зашифровать Вселенную. Так что
взаимоотношения между квантовым компьютером и Все-
ленной состоят в том, что первый способен кодифициро-
вать последнюю. Таким образом, строго говоря, Вселенная
не является квантовым компьютером, но все явления в ней
могут быть кодифицированы квантовым компьютером.

Поскольку все взаимодействия на микроскопическом
уровне управляются квантовой механикой, это означает,
что квантовый компьютер способен моделировать любое
явление физического мира, от субатомных частиц, ДНК
и черных дыр до Большого взрыва.

Игровая площадка для квантовых компьютеров — сама
Вселенная. Так что если мы сумеем по-настоящему понять
квантовую машину Тьюринга, то, возможно, по-настоящему
поймем и Вселенную.

Время покажет.

БЛАГОДАРНОСТИ

В первую очередь я хотел бы поблагодарить своего литера-
турного агента Стюарта Кричевски, который был со мной
все эти долгие годы, помогая вести мои книги от первых
набросков до полок книжных магазинов. Я доверяю его без-
ошибочному суждению во всех литературных вопросах. Его
дельные советы помогают делать мои книги успешными.

Я хотел бы также поблагодарить своего редактора Эд-
варда Кастенмайера. Он всегда предлагает мне мудрое ре-
шение во всех редакторских вопросах. На каждом шагу он
помогает ярче обозначить направленность книги и сделать
ее более доступной.

Мне хочется также поблагодарить многочисленных но-
белевских лауреатов, с которыми я консультировался в про-
цессе работы или которых интервьюировал, за бесценные
советы:

Ричард Фейнман
Стивен Вайнберг
Ёитиро Намбу
Уолтер Гилберт
Генри Кендалл
Леон Ледерман
Мюррей Гелл-Манн
Дэвид Гросс
Фрэнк Вильчек
Джозеф Ротблат
Генри Поллак

Питер Доэрти

Эрик Чивиан

Джеральд Эдельман

Антон Ц ай л ингер

Сванте Паабо

Роджер Пенроуз.

Также я хотел бы поблагодарить следующих видных уче-
ных — руководителей научных исследований или дирек-
торов крупных научных лабораторий, — которые велико-
душно поделились со мной своей мудростью:

Марвин Мински

Фрэнсис Коллинз

Родни Брукс

Энтони Атала

Леонард Хейфлик

Карл Циммер

Стивен Хокинг

Эдвард Уиттен

Майкл Лемоник

Майкл Шермер

Сет Шостак

Кен Кросвелл

Брайан Грин

Нил Деграсс Тайсон

Лиза Рэндалл

Леонард Сасскинд.

Наконец, я хотел бы поблагодарить тех более чем
400 ученых, которых мне приходилось интервьюировать
на протяжении многих лет. Их идеи оказались бесценными
при написании этой книги.
ПРИМЕЧАНИЯ

Глава 1. Конец эпохи кремния

1	Gordon Lichfield, “Inside the Race to Build the Best Quantum
Computer on Earth,” MIT Technology Review, February 26, 2020,
1-23.

2	Yuval Boger, interview with Dr. Robert Sutor, The Qubit Guy's
Podcast, October 27, 2021; www.classiq.io/insights/podcast-with-
dr-robert-sutor.

3	Matt Swayne, “Zapata Chief Says Quantum Machine Learning Is
a When, Not an If,” The Quantum Insider, July 16, 2020; www.
thequantuminsider.com/2020/07/16/zapata-chief-says-quantum-
machine-learning-is-a-when-not-an-if/.

4	Daphne Leprince-Ringuet, “Quantum Computers Are Coming,
Get Ready for Them to Change Everything,” ZD Net, November
2, 2020; www.zdnet.com/article/quantum-computers-are-coming-
get-ready-for-them-to-change-everything/.

5	Dashveenjit Kaur, “BMW Embraces Quantum Computing to
Enhance Supply Chain,” Techwire/Asia, February 1, 2021; www.
techwireasia.com/2021/02/bmw-embraces-quantum-c0mputing-
to-enhance-supply-chain/.

6	Cade Metz, “Making New Drugs with a Dose of Artificial Intelligence,”
The New York Times, February 5,2019; www.nytimes.com/2019/02/05/
technology/artificial-intelligence-drug-research-deepmind.html.

7	Ali El Kaafarani, “Four Ways That Quantum Computers Can
Change the World,” Forbes, July 30, 2021; www.forbes.com/sites/
forbestechcouncil/2021/07/30/four-ways-quantum-computing-
could-change-the-world/? sh=705403664602.

8	“How Quantum Computers Will Transform These 9 Industries,”
CB Insights, February 23, 2021; www.cbinsights.com/research/
quantum-computing-industries-disrupted/.

9	Matthew Hutson, “The Future of Computing,” ScienceNews; www.
sciencenews.org/century/computer-ai-algorithm-moore-law-
ethics.
ю James Dargan, “Neven's Law: Paradigm Shift in Quantum
Computers,” Hackernoon, July i, 2019; www.hackernoon.com/
nevens-law-paradigm-shift-in-quantum-computers-e6c429ccdifc.

11 “With $3.1 Billion Valuation, What's Ahead for PsiQuantum?,” The
Next Platform, July 27, 2021; www.nextplatform.com/2o21/o7/27/
with-3-ib-valuation-whats-ahead-for-psiquantum/.

Глава 2. Конец цифровой эпохи

i “Our Founding Figures: Ada Lovelace,” Tetra Defense, April 17, 2020;
www.tetradefense.com/cyber-risk-management/our-founding-
figures-ada-lovelace/.

2	“Ada Lovelace,” Computer History Museum; www.computerhistory,
org/babbage/adalovelace/.

3	Colin Drury, “Alan Turing: The Father of Modern Computing
Credited with Saving Millions of Lives,” The Independent, July 15,
2019; www.independent.co.uk/news/uk/home-news/alan-turing-
ps5o-note-computers-maths-enigma-codebreaker-ai-test-a9oo5266.
html.

4	Alan Turing, “Computing Machinery and Intelligence,” Mind
59 (1950)’ 433-6o; https://courses.edx.org/asset-vi: MITx +
24.09X + 3T2015 +type @ asset+ block/5_turing_computing_
machinery_and_intelligence.pdf.

Глава 3. Рождение кванта

i Peter Coy, “Science Advances One Funeral at a Time, the Latest
Nobel Proves It,” Bloomberg, October 10, 2017; www.bloomberg.
com/news/articles/2017-ю-ю/science-advances-one-funeral-at-
a-time-the-latest-nobel-proves-it.

2	BrainyQuote; https://www.brainyquote.com/quotes/paul_
dirac_2793i8.

3	Jim Martorano, “The Greatest Heavyweight Fight of All Time,” TAP
into Yorktown, August 24, 2022; https://www.tapinto.net/towns/
yorktown/articles/the-greatest-heavyweight-fight-of-all-time.

4	quoted in Denis Brian, Einstein (New York: Wiley, 1996), 516.

Глава 4. Квантовые компьютеры: начало

i Michio Kaku, Parallel Worlds: The Science of Alternative Universes and
Our Future in the Cosmos (New York: Anchor, 2006).

2	Stefano Osnaghi, Fabio Freitas, Olival Freire Jr., “The Origin of
the Everettian Heresy,” Studies in History and Philosophy of Modern
Physics 40, no. 2 (2009): 17.
Глава 5. Гонка началась

1	Stephen Nellis, “IBM Says Quantum Chip Could Beat Standard
Chips in Two Years/’ Reuters, November 15, 2021; www.reuters.
com/article/ibm-quantum-idCAKBN2looC6.

2	Emily Conover, “The New Light-Based Quantum Computer
Jiuzhang Has Achieved Quantum Supremacy,” Science News,
December 3, 2020; https://www.sciencenews.org/article/new-
light-based-quantum-computer-jiuzhang-supremacy.

3	“Xanadu Makes Photonic Quantum Chip Available Over Cloud
Using Strawberry Fields & Pennylane Open-Source Tools
Available on Github,” Inside Quantum Technology News, March
8, 2021; www.insidequantumtechnology.com/news-archive/
xanada-makes-photonic-quantum-chip-available-over-cloud-
using-strawberry-fields-pennylane-open-source-tools-available-
on-github/.

Глава 6. Происхождение жизни

i Walter Moore, Schrodinger: Life and Thought (Cambridge University
Press, 1989), 403.

2	Leah Crane, “Google Has Performed the Biggest Quantum
Chemistry Simulation Ever,” New Scientist, December 12, 2019;
www.newscientist.com/article/2227244-google-has-performed-
the-biggest-quantum-chemistry-simulation-ever/.

3	Jeannette M. Garcia, “How Quantum Computing Could Remake
Chemistry,” Scientific American, March 15, 2021; https://www.
scientificamerican.com/article/how-quantum-computing-could-
remake-chemistry/.

4	Crane.

5	Там же.

Глава 7. Сделать мир зеленым

1	Alan S. Brown, “Unraveling the Quantum Mysteries of
Photosynthesis,” The Kavli Foundation, December 15, 2020; www.
kavlifoundation.org/news/unraveling-the-quantum-mysteries-of-
photosynthesis.

2	“The excitation effectively”: Peter Byrne, “In Pursuit of Quantum
Biology with Birgitta Whaley,” Quanta Magazine, July 30, 2013;
www.quantamagazine.org/in-pursuit-of-quantum-biology-with-
birgitta-whaley-20130730/

3	Katherine Bourzac, “Will the Artificial Leaf Sprout to Combat
Climate Change?,” Chemical & Engineering News, November 21,
2016; https://cen.acs.org/articles/94/i46/artificial-leaf-sprout-
combat-climate.html.

4	Ali El Kaafarani, "Four Ways Quantum Computing Could
Change the World/' Forbes, July 30, 2021; www.forbes.com/sites/
forbestechcouncil/2021/07/30/four-ways-quantum-computing-
could-change-the-world/? sh=398352di46o2

5	Katharine Sanderson, "Artificial Leaves: Bionic Photosynthesis
as Good as the Real Thing, New Scientist, March 2, 2022; www.
newscientist.com/article/mg25333762-6oo-artificial-leaves-bionic-
photosynthesis-as-good-as-the-real-thing/.

Глава 8. Накормить планету

i "What Is Quantum Computing? Definition, Industry Trends, &
Benefits Explained," CB Insights, January 7, 2021; https://www.
cbinsights.com/research/report/quantum-computing/Putm_so
urce = CB + Insights + Newsletter&utm_campaign = odficb4286-
newsletter_general_Sat_2oi9iii5&utm_medium = email&utm_
term=o_9dco5i3989-odficb4286-88679829.

2	Allison Lin, "Microsoft Doubles Down on Quantum Computing
Bet," Microsoft, The AI Blog, November 20, 2016; https://blogs.
microsoft.com/ai/microsoft-doubles-quantum-computing-bet/.

3	Stephen Gossett, "10 Quantum Computing Applications and
Examples," Built In, March 25, 2020; https://builtin.com/hardware/
quantum-computing-applications.

Глава 9. Наполнить мир энергией

i Holger Mohn, "What's Behind Quantum Computing and Why
Daimler Is Researching It," Mercedes-Benz Group, August 20,
2020; https://group.mercedes-benz.com/company/magazine/
technology-innovation/quantum-computing.html.

2 Там же

Глава и. Редактирование генома и лечение рака

1	Liz Kwo and Jenna Aronson, "The Promise of Liquid Biopsies for
Cancer Diagnosis," American Journal of Managed Care, October 11,
2021; www.ajmc.com/view/the-promise-of-liquid-biopsies-for-
cancer-diagnosis.

2	Clara Rodriguez Fernandez, "Eight Diseases CRISPR Technology
Could Cure," Labiotech, October 18, 2021; https://www.labiotech.
eu/best-biotech/crispr-technology-cure-disease/.
3	Viviane Callier, "A Zombie Gene Protects Elephants from Cancer/'
Quanta Magazine, November 7, 2017; www.quantamagazine.org/a-
zombie-gene-protects-elephants-from-cancer-20171107/.

Глава 12. Искусственный интеллект

и квантовые компьютеры

1	Gil Press, "Artificial Intelligence (AI) Defined/' Forbes, August 27,
2017; https://www.forbes.com/sites/gilpress/2o17/o8/27/artificial-
intelligence-ai-defined/.

2	Stephen Gossett, "10 Quantum Computing Applications and
Examples," Built In, March 25, 2020; https://builtin.com/hardware/
quantum-computing-applications.

3	"AlphaFold: A Solution to a 50-Year-Old Grand Challenge in
Biology," DeepMind, November 30, 2020; www.deepmind.com/
blog/alphafold-a-solution-to-a-50-year-old-grand-challenge-in-
biology.

4	Cade Metz, "London A. I. Lab Claims Breakthrough That Could
Accelerate Drug Discovery," The New York Times, November 30,
2020; https://www.nytimes.com/2o2o/11/3o/technology/
deepmind-ai-protein-folding.html.

5	Ron Leuty, "Controversial Alzheimer's Disease Theory Could
Pinpoint New Drug Targets," San Francisco Business Times, May 6,
2019; www.bizjournals.com/sanfrancisco/news/2o19/o5/o1/
alzheimers-disease-prions-amyloid-ucsf-prusiner.html.

6	German Cancer Research Center, "Protein Misfolding as a Risk
Marker for Alzheimer's Disease," ScienceDaily, October 15, 2019;
www.sciencedaily.c0m/releases/2019/10/191015140243.htm.

7	"Protein Misfolding as a Risk Marker for Alzheimer's Disease —
Up to 14 Years Before the Diagnosis," Bionity.com, October 17,
2019; www.bionity.com/en/news/1163273/protein-misfolding-as-
a-risk-marker-for-alzheimers-disease-up-to-14-years-before-the-
diagnosis.html.

Глава 13. Бессмертие

i Mallory Locklear, "Calorie Restriction Trial Reveals Key Factors in
Enhancing Human Health," Yale News, February 10, 2022; www.
news.yale.edu/2022/02/10/cal0rie-restricti0n-trial-reveals-key-
factors-enhancing-human-health.

2	Kashmira Gander, " 'Longevity Gene' That Helps Repair DNA and
Extend Life Span Could One Day Prevent Age-Related Diseases
in Humans," Newsweek, April 23, 2019; www.newsweek.com/
longevity-gene-helps-repair-dna-and-extend-lifespan-could-one-
day-prevent-age-1403257.

3	Antonio Regalado, "Meet Altos Labs, Silicon Valley's Latest Wild
Bet on Living Forever," MIT Technology Review, September 4, 2021;
www.techn0l0gyreview.c0m/2021/09/04/1034364/alt0s-labs-
silicon-valleys-jeff-bezos-milner-bet-living-forever/.

4	Там же.

5	Antonio Regalado, "Meet Altos Labs, Silicon Valley's Latest Wild
Bet on Living Forever," MIT Technology Review, September 4, 2021;
www.technologyreview.com/2o21/o9/o4/1o34364/altos-labs-
silicon-valleys-jeff-bezos-milner-bet-living-forever/.

6	Allana Akhtar, "Scientists Rejuvenated the Skin of a 53 Year
Old Woman to That of a 23 Year Old's in a Groundbreaking
Experiment," Yahoo News, April 8, 2022; www.yahoo.com/news/
scientists-rejuvenated-skin-53-0ld-175044826.html.

Глава 14. Глобальное потепление

i Ali El Kaafarani, "Four Ways Quantum Computing Could
Change the World," Forbes, July 30, 2021; www.forbes.com/sites/
forbestechcouncil/2021/07/30/four-ways-quantum-computing-
could-change-the-world/? sh=398352di46o2.

2	Doyle Rice, "Rising Waters: Climate Change Could Push a Century's
Worth of Sea Rise in US by 2050, Report Says," USA Today, February 15,
2022; https://www.usatoday.com/story/news/nation/2022/02/15/
us-sea-rise-climate-change-noaa-report/6797438001/.

3	"U. S. Coastline to See up to a Foot of Sea Level Rise by 2050,"
National Oceanic and Atmospheric Administration, February 15,
2022; https://www.noaa.gov/news-release/us-coastline-to-see-up-
to-foot-of-sea-level-rise-by-2050.

4	David Knowles, "Antarctica's "Doomsday Glacier' Is Facing Threat
of Imminent Collapse, Scientists Warn," Yahoo News, December 14,
2021; https://news.yahoo.com/antarcticas-doomsday-glacier-is-
facing-threat-of-imminent-collapse-scientists-warn-22o236266.html.

5	Intergovernmental Panel on Climate Change, Climate Change 2007
Synthesis Report: A Report of the Intergovernmental Panel on Climate
Change; www.ipcc.ch.

Глава 15. Солнце в бутылке

i Jonathan Amos, "Major Breakthrough on Nuclear Fusion Energy,"
BBC News, September 9, 2022; www.bbc.com/news/science-
environment-60312633.
2	Claude Forthomme, "Nuclear Fusion: How the Power of Stars May
Be Within Our Reach/' Impakter, February 10, 2022; www.impakter.
com/nuclear-fusion-power-stars-reach/.

3	Jonathan Amos, "Major Breakthrough on Nuclear Fusion Energy/'
BBC News, September 9, 2022; www.bbc.com/news/science-
environment-60312633.

4	"Multiple Breakthroughs Raise New Hopes for Fusion Energy/'
Global BSG, January 27, 2022; www.globalbsg.com/multiple-
breakthroughs-raise-new-hopes-for-fusion-energy/.

5	Catherine Clifford, "Fusion Gets Closer with Successful Test of
a New Kind of Magnet at MIT Start-up Backed by Bill Gates,"
CNBC, September 8, 2021; www.cnbc.com/2021/09/08/fusi0n-gets-
closer-with-successful-test-of-new-kind-of-magnet.html.

6	"Nuclear Fusion Is One Step Closer with New AI Breakthrough,"
Nation World News, September 13,2022; www.nationworldnews.com/
nuclear-fusion-is-one-step-closer-with-new-ai-breakthrough/.

Глава 16. Моделирование Вселенной

i "The World Should Think Better About Catastrophic and
Existential Risks," The Economist, June 25, 2020; www.economist.
com/briefing/2020/06/25/the-world-should-think-better-about-
catastrophic-and-existential-risks.

2	Michio Kaku, The God Equation: The Quest for a Theory of Everything
(New York: Anchor, 2022).
ИЗБРАННАЯ
БИБЛИОГРАФИЯ

Для тех, кто хоть немного знаком с компьютерным про-
граммированием, могут оказаться полезными следующие
тексты:

Bernhardt, Chris. Quantum Computing for Everyone.
Cambridge: MIT Press, 2020.

Edwards, Simon. Quantum Computing for Beginners. Monee,
IL, 2021.

Grumbling, Emily, and Mark Horowitz, eds. Quantum
Computing: Progress and Prospects. Washington, DC: National
Academy Press, 2019.

Jaeger, Lars. The Second Quantum Revolution. Switzerland:
Springer, 2018.

Mermin, N. David. Quantum Computer Science:
An Introduction. Cambridge: Cambridge University Press, 2016.

Rohde, Peter P. The Quantum Internet: The Second Quantum
Revolution. Cambridge: Cambridge University Press, 2021.

Sutor, Robert S. Dancing with Qubits: How Quantum
Computing Works and How It Can Change the World. Birmingham,
UK: Packt, 2019.
ПРЕ ДМ ETHO-ИМ ЕН НОИ
УКАЗАТЕЛЬ

128-битное AES-шифрование
20

А

абсолютный нуль 27, 99,
123-125,129,132,161, 266,
319, 321

азот 33, 34, 69, 99,154,168,
171—175,177-181,184, 321,
367

аккумуляторы 32,164,174,175,
182-192, 202, 303, 363, 368
алгоритм Шора 117,118
алгоритмы 54,100,116,117,119,
167, 208, 249

Альфонсо Мудрый 375
Альцгеймера болезнь 35, 37,
215, 256-259, 363, 368
амилоидный белок 37,
257-259, 363, 369
аминокислоты 139,140,149,
225, 246-250, 259

аммиак (NH3) 33,138,140,171,
173,176

Амос, Джон 319
анионы 133
анод 191

Антарктический ледяной
щит 301

антибиотики 35,198-201, 203,
212

антигены 207, 224-226
антикварки 354

Антикитерский механизм 41,
43,45

апоптоз 214

Апофис 334

Аронсон, Дженна 217
астероиды 149, 333-336

Атала, Энтони 282, 283, 389

АТФ (аденозин трифосфат)
174,175,177,178

аутоиммунные заболевания
226

аэродинамика 29,193

Б

бабочки эффект 378

Байден, Джозеф 234

Байрон, Джордж Гордон,
лорд 45

бактерии 33, 37, 92,166,170,
171,199-203, 224, 228, 254

Бардин, Джон 86, 319
БАС (боковой

амиотрофический
синдром, болезнь Лу
Герига) 35, 212, 215, 254,
260, 261
Безос, Джефф 278

Бейкер, Дэвид 252
белые кровяные тельца,
лейкоциты 222, 224,
274

белый карлик, звезда 342
бериллия атом 69, 344
Беркли, Джордж 75

Бернулли числа 45

Бесер, Бен 192

Бетельгейзе 347
биотехнологии 144,146,147,
213, 235

биты 25,101, 245, 378, 385

Блетчли-парк 53-55
блокчейн 21

Большой адронный
коллайдер 19, 85, 318,
353, 356

Большой взрыв 85,109, 358,
369, 383

Бора атом 79

Бор, Нильс 71, 73, 74, 78, 79

Борн, Макс 71

Браттейн, Уолтер 86

Браунелл, Верн 18

Бреннер, Герман 258

Брукс, Родни 240-242, 389

Бруно, Джордано 331

Брэнсон, Ричард 322

Будущий кольцевой
коллайдер 356, 359

Бэббидж, Чарльз 43-49, 53,
384

Бэббуш, Райан 154

В

Вайнберг, Стив 109, 388

Венера 42,150,158, 330

Вернера синдром 285, 286

Вернон, Закари 130
вилочковая железа 274
виртуальная

аэродинамическая
труба 193, 362

вирус иммунодефицита
обезьян (SIV) 205
вирусы 35, 37, 92, 203-213, 218,
219, 222, 224, 225, 228,
231, 246, 254, 365-367
водород 30, 67, 69, 70,138-140,
142,153,154,164-166,171,
173, 294, 311-317, 323, 324,
340, 341

водородная бомба 312
воздуха молекулы 379, 382
волчанка 226

Вольта, Алессандро 186
всемирный генный банк 284
вулканы 139,149,158,178, 294,
304

вычислительная биология
248

вычислительная химия 30,151

Г

Габера — Боша процесс 33,
174

Габер, Фриц 168,169,172-174,
180

Галилей, Галилео 330, 331
Гальвани, Луиджи 185,186
гамильтониан (Н) 72,153
гамма-всплески 346, 347
Гарсия, Жаннетт 152,154
Гёдель, Курт 48, 52, 58
Гейзенберг, Вернер 71, 74, 84,
89

Гейм, Андре 93

Гейтс, Билл 322
гелий 69,153, 311-313, 315, 321,
341, 362

Гельмонт, Ян ван 158
генетический код 227
генная инженерия 217, 222,
228, 229, 268, 270

генная терапия TEJ, 12А
«Генные войны» (Кук-Диган)
145

ген подавления опухоли 233
гепатит В 204

Герверт, Клаус 258
Гетчинсона — Гилфорда
синдром 285, 286

Гильберт, Давид 48
гиппокамп 256
глобальное потепление 30,
165,183,185,187, 289, 293,
296, 297, 300-303, 306,
309-311, 319, 328, 368
глюоны 354

Горбунова, Вера 277
гормоны 268, 280
гравитационный барьер 111
гравитация 79,108, 314, 316,
342, 348, 350, 352, 354,
357, 358, 383

графен 93

графит 93,188,191

Гренландия 233, 301
гриппа вирус 205
Гуденаф, Джон 188

д

да Винчи, Леонардо 237

Дарвин, Чарльз 143
Дартмутская конференция
(1956) 236
двоичный язык 50
де Бройль, Луи 71

декогеренция 27,100, 382
дельфины 339

Демокрит 64

Дженнер, Эдвард 204

Джеффри, лорд 375

Джил, Дарио 226
диабет 226

Диксит, Вишва Дип 274, 275

Дик, Филип 105

Дирак, Поль 68

ДНК 36, 37, 70,141-147,149,
150,171, 201, 205, 231,
232, 245, 267-270,
275-278, 285, 287, 289,
385, 387

Дойча портативный лазерный
эксперимент 111

Дойч, Дэвид 100-102,104,111,
381

«Доказательство Бога»
(Коллинз) 147

Дрейк, Фрэнк 338

«Другая дорога» (Фрост) 104

Дудна, Дженнифер 228

Е

единая теория поля 288

Ж

желтая лихорадка 204
жидкостная биопсия 217, 221,
234

жизни продолжительность
197-199, 269, 270, 272,
274-276

3

закон сохранения энергии 151
зеленая революция 33,168,
177,179, 368
И

иммунотерапия 222, 223, 228,
229, 231, 234

индуцированные
плюрипотентные
стволовые клетки
(иПСК) 280

инфракрасный лазерный луч
130

иодида серебра кристаллы
305

ионные ловушки 125-127

ионы 121,125,126,186
искусственный интеллект

(ИИ) 24,30,38,49,55,
235-241, 243-245, 248,
253, 288, 327, 328, 340,
364

й

йод 312

К

Кальвина цикл 159

катализаторы 165,176-178,180,
181, 252, 377

катод 188

квантовая хромодинамика
(КХД) 360

квантовая электродинамика
(КЭД) 77,90,99

квантовое распределение
ключей (QKD) 120
квантовый синтез 327
кванты 61

кварки 357

Кво, Лиз 217

Кельвин, лорд 351

кибербезопасность 17

кибершифры 20

киты 233

Кларк, Артур 380

кобальт 190

когерентность 27, ПО, 124,127,
129,161, 383

кожи рак 215, 223

Коллинз, Фрэнсис 146-148,
389

«Колосс», проект 53
Кольцевой электронно-
позитронный
коллайдер 359

кометы 335

конденсатор 190

Копенгагенская школа 71,
102-104,107,112, 382, 383
коровья оспа 204
коронавирус 35, 219, 251
корь 204
космические лучи 355
космический телескоп
«Джеймс Уэбб» 331
космический телескоп
«Хаббл» 331, 332
космический телескоп
«Кеплер» 336

красные гиганты 341, 342, 347

Кремниевая долина 15, 24, 88,
121,123, 278
кремниевые чипы 89
кремниевый фотонный
квантовый компьютер
130

кремний 13, 22, 23, 33, 89,131,
191

Крик, Фрэнсис 141,142, 338

криптон 69

кубиты 25, 26, 82, 94,101,113,
120,122,125-127,129-133,
154,180, 245, 379

Кук-Диган, Роберт 145
Купер, Леон 319
куру, болезнь 255

Л

Лавлейс, леди Ада 45, 46
лазерный интернет 119
лазерный синтез 324
легкого рак 219, 223, 229
ледники 298, 301
ледяные керны 293-295, 297,
344

лейкемия 223

«Лекарь поневоле» (Мольер)
197

Ливерморская национальная
лаборатория 324
лития дейтерид 324
лития пероксид 189
лихорадка Западного Нила
301

Ллойд, Сет 384
лондонский Музей науки 47
Лос-Аламосская

национальная
лаборатория 133

Лоу, Дерек 19

Лоусона критерий 326
лучевая терапия 213, 216

М

магнитное поле 25, 314-319,
322, 323, 326, 327

Максвелл, Джеймс Клерк 59
Мальтус, Томас Роберт 169
Марс 42, 85, 95, 99,111,149,150,
157,158, 337, 362

Марсеа, Джулиус 18

Маск, Илон 343

Международная космическая
станция 318

Международный линейный
коллайдер 359

Мейли, Карло 234
Менделеев, Дмитрий 68
менингит 204

Мершин, Андреас 220, 221
метан 138, 300
микродатчики 221
микросхема 19, 23, 86, 88, 89,
123,130,131

Миллер, Стэнли 138,140,141

Милне, Джо 320

Мильнер, Юрий 277
«Минитмен», ракеты 108

Мински, Марвин 236, 240, 389
митохондрии 268

Млечный Путь, галактика
332, 336, 351
моделирование молекул 30,
176,184, 378

Мон, Хольгер 192

Моулт, Джон 251

МСК (мезенхимальные
стволовые/
стромальные клетки)
279, 280
муковисцидоз 147, 227
Мура закон 22, 23,183, 245
Мур, Гордон 22
мутации вируса 35, 210, 231

н

нанотехнологии 91,190
Натараджан, Санджей 24
«Начала» (Евклид) 47
Невен, Хартмут 24
нейронные сети 242, 243
нейтрино 355, 357
нейтронные звезды 347, 348
нейтроны 294, 315, 324, 349, 360
Нельсон, Билл 299

Никсон, Ричард 213
нитрогеназа 177,178,180,181
Нобелевская премия 24, 77,
86, 90, 93, 96,109,144,
173,188, 228, 255, 278,
354, 358, 388

Новоселов, Константин 93

Носера, Дэниел 166

Ньютон, Исаак 59-62, 72, 74,
76, 78, 95, 96, 97,100,150,
192, 241, 351, 358, 376-379,
386

О

О’Брайен, Джереми 33
овцы 255

«Огонь и лед» (Фрост) 341

Окампо, Алехандро 279
околоземные объекты (ОСЗ)
331, 333

оксид иттрия-бария-меди 321
оптический квантовый

компьютер 128,131
ордовикско-силурийское
вымирание 347

Орион 348

оспа 203

Остоджич, Иван 17

П

Пандора 237

Паркинсона болезнь 35, 215,
262, 263

парниковый эффект 31, 296,
308

Пастер, Луи 138
пенициллин 199, 201, 203

Пето, Ричард 233, 234

Петтит, Эрин 301

печени рак 223, 229

Пичаи, Сундар 38,180, 240

Планка постоянная (h) 62,
78, 97

Планк, Макс 59, 61-64, 71, 78,
83, 97

Планк, Эрвин 83
платина 165

Плутон 333, 337
плутоний 312
погодные спутники 296, 297
Подольский, Борис 79
полиомиелит 204
полифарминг 205
полупроводники 87,131,165,
166

полярный вихрь 303
предстательной железы рак
219, 223

прионы 37, 254-256, 258, 260

Пристли, Джозеф 158
проводники 14, 87, 319, 321,
323, 328

протон 19,153, 342, 353, 356,
360

Прузинер, Стэнли 255, 258
«Путеводитель для
путешествующих
автостопом по

Галактике» (Адамс) 370

ПЦР-тесты 219

Р

радиоактивный распад 178,
312

радиоволны ПО

Райт, братья 13, 38

рак 36, 37, 46,167, 204, 212, 213,
215-223, 226, 229-231,
233-235, 253, 260, 267,
268, 271, 272, 277, 280,
281, 283, 338, 363, 364
расширяющаяся Вселенная
108,109, 332
расщепитель пучка 128,130
реакторы синтеза
(термоядерные) 311,
314, 316, 318, 321, 325, 327,
361

Резерфорд, Эрнест 67
рентгеновская
кристаллография 142,
246, 247, 250, 251
рентгеновская томография
40

ресвератрол 273
роботизированный нос 220
роботы 56, 92, 236-238, 241,
242, 244

Розен, Натан 80

Розенфельд, Леон 107

Рубин, Вера 351

Рузвельт, Франклин 105
Рэлея — Джинса катастрофа
61

С

Савойи, Кристофер 16

Саган, Карл 334
самообучающиеся машины
239, 240, 242, 243

Сатурн 42, 330, 337

Сверхбыстрый графитовый
электрод 190
сверхбыстрый многомерный
спектроскоп 161
сверхновая 41, 329, 342, 347,
348

сверхпроводники 319, 321,
323, 328

сверхпроводящий квантовый
компьютер 123,127
свинка, болезнь 204
Северный полюс 298, 302
сердечно-сосудистые

заболевания 213, 283
серповидноклеточная анемия
227, 231

сингулярность 349

Синклер, Дэвид 279
скорость света 53, 80, 82
Скьяррино, Фабио 127
Смитсоновский музей 86
Событие Кэррингтона 342,
344, 346

солнечные вспышки 332,
343-345

солнечные элементы 63

Солнце 31, 32, 42,139,157,184,
297, 303, 309-312, 314, 316,
330, 331, 335, 340-343,
345-348,
368

Сольвеевский конгресс
(Брюссель, 1930) 78, 79
сотовые телефоны 21, 23, 50,
187, 218, 221
специальная теория
относительности 82

СПИД-ВИЧ 205, 231
Стандартная модель
элементарных частиц
353-358

стволовые клетки 231,
278-280, 282, 283

стволовые клетки костного
мозга 231

стронций-90 312
субатомные силы 25, 72, 97,
114,144, 356, 358, 387

«сумеречная зона» 62, 78
суммирующие машины 44,
46, 49

супераккумуляторы 32,185,
192, 303, 362, 368

суперпозиция 25, 72, 74, 75,
101,109,113,122,123,126,
128, 386

Сутор, Боб 14, 91

схлопывание волны, постулат
382

т

Таррел, Артур 320

телескоп 330-332, 335-337,

349, 351

теломераза 271, 280, 285

темная материя 351-354

темная энергия 351

теорема о неполноте 52

теория всего 359

теория множественности
миров Эверетта 103,
104,112, 381

теория панспермии 149

теория почти всего 354

теория струн 260, 355, 357-

360, 385, 390

теория хаоса 379

термодинамика 147,160,
266-268, 270, 345

термометры 207, 208

Тея — Сакса болезнь 227

Тифон 265, 283

токамак, конструкция
реактора синтеза 315,
320, 321, 324-326, 328

топологический квантовый
компьютер 132

транзисторы 14,22,23,25,32,78,
84-91, 93,127,131,179,245

туберкулез 199

туннелирование 77,113,114
Туэйтса ледник 301

Тьюринг, Алан 49-58, 62, 86,
87,100,101,115, 236, 384,
386, 387

Тьюринга машина 50, 51, 58,
62, 86,100,101,121, 240,
241, 385-387

Тьюринга тест 56, 236
тяжести сила 341

У

Уайт, Деннис 322
углеводороды 70,159,164
углекислый газ (СО2) 34,
158-160,163-167, 294, 296,
297, 304-306, 314, 368
углерода атом 69, 93,140,142,
171

углеродный анализ 159
углеродный цикл 165,166
Уилер, Джон Арчибальд 79,
107,108

Уиттингем, Стэнли 188
ультрафиолетовый свет (УФ)
32, 88,139

Уолл-стрит 21

Уотсон, Джеймс 141,142
ураганы 30, 298, 309, 333, 368
уран 73, 84,178, 312, 313
урана атома расщепление 73,
84, 312

ускорители ядерных частиц
157, 353, 354, 356, 359

Уэйли, Биргитта 162

ф

Фейнман, Ричард 24, 27,
89-93, 95-97,100,107,
160, 249, 388
Феличи, Федерико 328
фемтосекунда 162
ферменты 150,166, 217, 254,
261, 271

Ферми парадокс 338
Фернандес, Клара Родригес
230

Флеминг, Александр 199, 202
Флеминг, Грэм 157,161,162
Фокс, Майкл 262

фон Нейман, Джон 76
Форд, Генри 182,183
фотонный квантовый
компьютер 127,128
фотосинтез 27, 34, 35, 99,100,
134,154,156-159,161,162,
165-167,184, 359

фотоэлектрические элементы
157

фотоэлектрический эффект 63
Франклин, Розалинд 142
фтор 69

Фудзисима, Акира 165

Фурье преобразование 117

X

Харвелловская лаборатория
17

Хебба правило 242

Хейфлика предел 271
Хейфлик, Леонард 270, 389
Хиггса бозоны 354
химиотерапия 216, 222
химическое оружие 169,174
хинолоны 201

Хинсли, Гарри 55
хлорофилл 159,160

Хойл, Фред 149

Хокинг, Стивен 260, 373, 382,
389

холера 199

Холланд, Эндрю 322

Холмдаль, Тодд 179

Хонда, Кенити 165
хорея Гентингтона (болезнь)
232

ц

Цвикки, Фриц 351

Цезарь, Юлий 40
цезий-137 312

ЦЕРН 356

Цинь Шихуанди, император
Китая 265
цитокиновый шторм 210
цифровая лента 14, 51, 386
цифровое бессмертие 286,
288

Ч

чернобыльское расплавление
313

черные дыры 288, 329,
347-350, 387

Черчилль, Уинстон 287

Чжу, Линхуа 152

«Что такое жизнь?»
(Шрёдингер) 141

Ш

Шарпантье, Эмманюэль 228

Шатнер, Уильям 288

Шекспир, Уильям 339

Шокли, Уильям 86

Шор, Питер 114,115,117,118
Шрёдингера кот 73, 74, 382
Шрёдингер, Эрвин 66-68,
70-73, 83, 97-99,139,
141-143,146,153,171, 251,
354, 376, 377, 381, 382,
386, 387

Шриффер, Джон 319

э

Эверетт, Хью 102-104,106-109,
112, 381, 383

Эдисон, Томас 182,183
Эйнштейн, Альберт 63, 64,
71, 73, 76, 77, 79-81,
83,106,108, 261, 287,
311, 348-350, 355-358,
373-375
экзопланеты 336
экситоны 160,162
электрические зарядные
станции 193
электроды 165,186,190
электронный микроскоп 92
электроны 14, 23, 25, 63-72,
77, 78, 80, 82, 87, 89, 90,
100,102,103,108-113,121,
123,125,127,129,131,140,
152-154,160,166,171, 186,
187,189, 249, 314, 316, 319,
328, 354, 357, 374, 376,
377, 385

элементарных частиц физика
99,144,146, 360, 385

элементы химические во
Вселенной 99, 347, 352

Эль-Каафарани, Али 20,165,
296

эмбриональный гемоглобин
231

«Энигма», шифр 53
Эренфест, Пауль 79
эстроген 57, 268, 280
Этуотер, Гарри 165
эфир 188

ю

Юкатан, полуостров 333

Юпитер 42, 330, 337

Юри, Гарольд 138

Я

ядерная война 108

ядерный синтез (ядерные
электростанции) 310,
312

Яманака, Синъя 278

Янга — Миллса частицы 354

Ян, Пэйдун 166

А

Age-1 и Age-2, гены 273

ALH 84001, метеорит 149

AlphaFold 251

AlphaGo, ИИ 243

Altos Labs 278

АРОЕ4, ген 37

ARC, реактор синтеза 322

AT&T 114

В

В-клетки 222

Beam Therapeutics 232

Biogen 36

BMW 18,193,194

BRCA1 и BRCA2 37

Bristlecone, квантовый ком-
пьютер 122

С

C9orf72, ген 261

CASP 248

CCR5, ген 231

С. elegans, червь 273
CFTR, ген 232

Condor, квантовый компью-
тер 122

COVID-19, вакцина 146, 206,
207, 210, 246

CRISPR 226, 229, 230-232, 234,
286, 369

CRISPR Therapeutics 231, 232

D

Daimler 18,192

DARPA 220

DART (Double Asteroid Redi-
rection Test) 335

DeepMind 251, 328

Deloitte 16, 21

DEMO, реактор синтеза 318

Digital Health 36

D-Wave, квантовый компью-

тер 18,133

D-Wave Systems 18

E

Eagle, квантовый компьютер

15,123

EAST, реактор синтеза 320

E, coli 251

Editas Medicine 232

ENIAC 23

ExxonMobil 32

F

FOXP белок 280

FUS ген 261

G

GATA6, белок 280

GlobalFoundries 131

Gordian Biotechnology 279

H

Honeywell 15, 28,127,193

I

IBM 15,17, 32,122-124,152,191

IBM Q Experience, проект 15

IBM Research 191

Intel 15, 24,122

lonQ 15

ITER 318-320, 322

J

JET, реактор синтеза 320

Jiuzhang, квантовый компью-
тер 122

JPMorgan Chase 15, 28

К

Kinsa 207

L

LIF, ген 233

Life Biosciences 279

Lockheed Martin 17

M

M87, галактика 349

Maxwell Technologies 190

Mercedes-Benz 18,192

Merck 36

Microsoft 15,17, 34,132,133,
179-181

N

NASA 133, 220, 297-299, 301,
335

NAWA Technologies 190

NEC 133
О

Osprey, квантовый компью-
тер 122,123

Р

р53, ген 229, 230, 233, 234

PLA2G7, белок 275

ProteinQure 36

PsiQuantum 15,130,131

Q, коэффициент 318

R

Ralstonia eutropha 166

Rigetti 15

RSA-стандарт 115,116,119

s

Samsung 15

Science Channel 339

SETI 338

Shakey, робот 237, 241

SHH, белок 280

Shift Bioscience 279

sirtuin-6, ген 276, 277

Skeleton Technologies 189

Smart Truck 237

SOD1, ген 261

SoftBank 189

Space Shuttle 335

SpaceX 343

SPARC, реактор синтеза 322

Station Q_ 179

SuperBattery 189,190

SVOLT 191

Sycamore, квантовый
компьютер 13, 26,122,
123,154

т

Т-клетки 222

Tangle Lake, квантовый ком-
пьютер 122

Tesla 190

Turn Biotechnologies 279

V

Vela, спутник 346

Volkswagen 133,193

w

W-бозоны 355

X

Xanadu, фотонный кванто-
вый компьютер 130

Y

Y-образные рецепторы анти-
генов 224

Z

Z-бозоны 354

Zapata Computing 16
ОБ АВТОРЕ

Митио Каку — профессор теоретической физики Город-
ского университета Нью-Йорка, один из основателей тео-
рии струн. Защитил степень бакалавра в Гарварде и степень
PhD по физике в Калифорнийском университете в Беркли.
Написал пять бестселлеров по версии The New York Times:
«Физика невозможного», «Физика будущего», «Будущее ра-
зума», «Будущее человечества» и «Уравнение Бога». Ведущий
нескольких телепрограмм на каналах Би-би-си, Discovery,
Science Channel. Частый гость на национальном и между-
народном телевидении. Ведет в США две национальные
научные радиопередачи: Exploration и Science Fantastic.
Каку Митио

Квантовое превосходство

Революция в вычислениях, которая изменит всё

Издатель Павел Подкосов Руководитель проекта Анна
Тарасова Художественное оформление и макет Юрий Буга
Корректоры Елена Рудницкая, Лариса Татнинова Верстка

Андрей Фоминов

Иллюстрация на обложке Getty Images

Подписано в печать 23.07.2025. Формат 60x90 1/16. Бумага
офсетная № 1. Печать офсетная.

Объем 26 печ. л. Тираж 5000 экз. Заказ №

ООО «Альпина нон-фикшн» 123007, г. Москва, ул. 4-я

Магистральная, д. 5, строение 1, офис 13

Тел. +7 (495) 980-5354www.nonfiction.ru

Интернет-магазин издательской группы «Альпина»
ООО «Альпина Паблишер»

115093, г. Москва, вн. тер. г. муниципальный округ Замоскворечье, ул. Щипок,
д. 18, ком. 1; ОГРН 1027739552136www.alpina.ru

e-mail: info@alpina.ru

Знак информационной продукции
(Федеральный закон №436-Ф3 от 29.12.2010)

16+

Отпечатано с готовых файлов заказчика в АО «Первая Образцовая типография»,
филиал «УЛЬЯНОВСКИЙ ДОМ ПЕЧАТИ».

432980, Россия, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14