Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Важно подчеркнуть, что трудность представляет не только разработка матчасти. Для квантовых компьютеров также понадобится собственное программное обеспечение, а квантовых алгоритмов еще маловато. Самые известные примеры – это алгоритм факторизации Шора и алгоритм Гровера. Уже доказано, что они позволят квантовым компьютерам работать эффективнее классических в некоторых неожиданных направлениях. Они никоим образом не могут заменить наши обычные компьютеры в решении всех задач, но очень хорошо приспособлены для решения математических задач. В нашей повседневной жизни мы продолжим использовать все более мощные и быстрые классические компьютеры, особенно когда нам покорятся рубежи искусственного интеллекта, облачных технологий и интернета вещей (в том смысле, что многие приборы у нас дома будут связаны и смогут разговаривать друг с другом). А еще классические компьютеры продолжат обрабатывать терриконы накапливаемых нами данных.

Однако существуют проблемы, которые невозможно решить даже с помощью самых мощных классических компьютеров будущего. Прелесть квантовых компьютеров в том, что скорость обработки ими данных возрастает экспоненциально с ростом количества кубитов. Рассмотрим информационное содержание трех неквантовых переключателей. Каждый может представлять собой либо 0, либо 1, так что в результате возможно восемь различных комбинаций: 000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111. Однако три запутанных кубита дают нам возможность сохранять сразу все восемь комбинаций. Каждая из трех цифр одновременно представляет собой и 0, и 1. На классическом компьютере количество информации экспоненциально растет с увеличением количества битов. Поэтому N битов означает 2^N различных состояний. Квантовый компьютер с N кубитами использует все 2^N состояний сразу – уровень параллельной обработки, которого классический компьютер просто не способен достичь.

Квантовые компьютеры будут когда-нибудь использоваться для решения задач в широком диапазоне дисциплин – в математике, химии, медицине и в создании искусственного интеллекта. Химики с нетерпением ждут, когда можно будет использовать квантовые компьютеры для моделирования сложных химических реакций. В 2016 году Google разработала примитивное квантовое устройство, с помощью которого удалось впервые смоделировать молекулу водорода, а после этого IBM удалось исследовать поведение более сложных молекул. Кажется логичным, что для понимания квантового мира нужно пользоваться квантовым моделированием. В конце концов, рыбак рыбака видит издалека. Исследователи надеются, что квантовое моделирование позволит создавать синтетические молекулы и разрабатывать новые лекарства. В сельском хозяйстве химики могли бы пользоваться квантовыми компьютерами для получения новых катализаторов для удобрений, которые дадут возможность уменьшить выбросы парниковых газов и усовершенствовать производство пищевых продуктов.

В области искусственного интеллекта квантовые компьютеры резко ускорят решение комплексных проблем оптимизации в машинном обучении. Это совершенно необходимо в целом ряде промышленных отраслей, где ключевой задачей является увеличение производительности и эффективности труда. В этом случае квантовые компьютеры революционизируют область системного проектирования, способствуя рационализации производства и сокращению отходов. В ближайшем будущем квантовые инженеры станут специалистами во многих областях – от квантовой механики и электроники до системного проектирования, искусственного интеллекта и вычислительной техники.

И самым интересным для меня лично (надеюсь, я до этого доживу) представляется то, что к середине XXI века квантовые компьютеры могут научиться управлять программами искусственного интеллекта, которые наконец позволят получить ответы на важнейшие вопросы фундаментальной физики. Именно они, а не люди, возможно, совершат главный прорыв.

Есть еще одна причина, по которой я выбрал в качестве примера технологии будущего именно квантовые компьютеры. Ряд физиков-теоретиков считают квантовую вычислительную технику своей последней надеждой. Причина в том, что квантовый компьютер по самой своей природе подходит для моделирования квантового мира и способен даже помочь определить, какая теория квантовой гравитации является верной.

Я надеюсь, что эта книга позволит вам почувствовать значимость физики в прошлом, настоящем и будущем. Последнюю главу я решил посвятить тому, что физики и вообще любые специалисты в точных науках думают о мире, и тому, как мы его познаем. Другими словами, как работает эта громадная система – наука, как получают знания и почему мы должны в науку верить.

Глава 10. Думай как физик

О честности и сомнении