Читать книгу - "Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер"

пределе Ландауэра, то есть с максимальным коэффициентом полезного действия, допускаемым вторым началом термодинамики[90]. Кроме того, спиновые льды привели к уточнению нашего понимания третьего начала. Как мы помним, оно утверждает, что при абсолютном нуле идеальный кристалл должен находиться в идеально упорядоченном состоянии, из чего следует, что с макросостоянием с наименьшей энергией должно быть совместимо одно-единственное микросостояние. Но у спинового льда – как и у льда обычного – есть приблизительно столько же конфигураций с наименьшей энергией, сколько атомов есть в кристалле. Наличие множественных возможных конфигураций с одной и той же энергией и есть беспорядок: множество микросостояний, совместимых с одним и тем же макросостоянием, то есть высокая энтропия. Осознание этого факта привело к необходимости слегка подправить третье начало. В современном понимании оно выглядит так: по мере приближения температуры к абсолютному нулю материя стремится лишь к состоянию постоянного беспорядка, то есть энтропия стремится не к нулю, а к некой постоянной величине; полностью избавляться от беспорядка не обязательно. Заставив ученых разбираться, как такие материалы вообще могут существовать, не нарушая законов термодинамики, спиновые льды дали нам более ясное понимание самих этих законов.

Эмерджентные магнитные монополи в спиновых льдах – и фракционализация в более широком смысле – это одно из возможных заклинаний деления, которые мы можем использовать для отделения идеи компьютеров от их воплощения в полупроводниках. Электронная промышленность началась с квантовой механики, когда исследователи физики конденсированного состояния впервые поняли, как устроены полупроводники, и ею же и закончится: пределы, которых достигают сейчас полупроводниковые технологии, находятся на таком малоразмерном масштабе, что становятся квантовомеханическими по самой своей природе. В таких мелких электронных приборах электроны перестают слушаться и начинают туннелировать из тех мест, в которых они нам нужны.

Но нам нужно попытаться плыть не против течения квантовой механики, а по нему. Использование квантовых эффектов обещает нам вычислительные мощности, которые сейчас невозможно даже вообразить. В этой главе мы говорили о развитии физики конденсированного состояния в XX веке, вплоть до нынешнего ее состояния, и ее ближайшем будущем. Теперь пришло время заглянуть еще дальше вперед – посмотреть на самую крупную отрасль промышленности 2035 года, сейчас еще не существующую.

VII

Защитные заклинания

За неимением лучшей аналогии можно сказать, что цикл появления на свет узлоделов похож на реинкарнацию. Для подлинного осмысления этого процесса необходимо хотя бы до некоторой степени понять мировоззрение узлодельческого клана, на которое влияет самая важная, самая мистическая и менее всего сознаваемая посторонними их способность: присущее им точное знание не только прошлого, но и будущего. Ее понимание тесно связано с принципами работы сплетений. Хотя результат вычислений может быть заранее определенным, у ведущего к нему процесса есть бесконечное множество возможных вариантов.

С точки зрения этих островитян, время – не линейная цепочка, соединяющая прошлое с будущим, но переплетающаяся паутина. История не записывается в неизменном виде, но интерактивно создается в уме узлодела по мере динамического чтения сплетения. Если смысл целого письменного текста может измениться из-за кляксы на одном-единственном слове, а одна-единственная оговорка может таким же образом изменить устное предание, то информация [о прошлом и будущем], зашифрованная в сплетении, может измениться только при завязывании или развязывании какого-либо узла…

Добро пожаловать в мир завтрашнего дня!

Можете ли вы вообразить новую технологию, жизни без которой не смогут представить себе люди завтрашнего дня? Вот мой ответ: квантовые компьютеры. В 1985 году физик Ричард Фейнман сделал следующее наблюдение: существуют физические процессы, про которые известно, что их невозможно за разумное время смоделировать в компьютере; однако природа постоянно моделирует их – попросту их осуществляя. Лошадь представляет собой идеальную квантовую модель лошади, точную от микроскопического до макроскопического масштаба и воспроизводящую все эмерджентные свойства, возникающие между ними. Поэтому, предположил Фейнман, если компьютеры будут использовать квантовую механику, они смогут выполнять некоторые полезные вычисления гораздо быстрее, чем это возможно сейчас.

Область применения таких квантовых компьютеров была бы огромной. Они могли бы точно определять поведение элементарных частиц: сейчас этим занимаются гигантские ускорители, подобные Большому адронному коллайдеру. Им нашлось бы применение в биологии и медицине: например, они могли бы упростить секвенирование геномов, что помогло бы бороться с вновь возникающими вирусами. Их можно было бы использовать для прогнозирования, открытия и даже конструирования лекарств. В химии они могли бы применяться, например, в разработке более совершенных батарей, что сыграло бы жизненно важную роль в устранении нашей зависимости от ископаемого топлива. Они могли бы моделировать молекулы и скорости реакций, а также прогнозировать новые методы синтеза. Сейчас на производство аммиака, использующегося во всем мире в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур, расходуется около 2 % мировой энергии; при этом бактерии способны производить аммиак гораздо эффективнее, и молекулярное моделирование на квантовом компьютере могло бы показать, как это им удается.

Квантовые компьютеры – отнюдь не фантастика. Они уже существуют: в октябре 2019 года исследователи из компании Google опубликовали данные, показывающие, что их квантовый компьютер производит вычисления более чем в три миллиона раз быстрее, чем это под силу самому высокоскоростному суперкомпьютеру в мире. В декабре 2020 года группа из китайского города Хэфэя при помощи квантового компьютера решила за 20 секунд задачу, на решение которой классическими методами ушло бы 600 миллионов лет.

Однако существует одна проблема – кажущаяся невозможность масштабирования квантовых вычислительных систем. С каждым мучительным шагом вперед мы попросту застреваем еще больше, как в паутине. И затрудняет увеличение масштабов квантовых вычислительных систем именно источник их могущества.

Масштабирование – ключ к практическому применению. Например, часто говорят, что паутинный шелк прочнее, чем сталь. Если это так, почему же мы по-прежнему используем сталь, а не паутину? Дело в том, что прочность паутинного шелка не масштабируется. Она порождается связями между молекулами воды на микроскопическом масштабе, и паутинный шелк прочен только при микроскопической толщине. Если увеличить его толщину, молекулы воды останутся прежнего размера, и толстая паутина окажется безнадежно непрочной. Благодаря невероятным достижениям инженерного дела у нас теперь есть квантовые компьютеры, которые соотносятся с классическими так же, как паутинный шелк со сталью: они гораздо лучше, но только на мельчайших масштабах. Более того, масштабирование квантовых компьютеров для их применения к практическим задачам повседневных масштабов представляется сейчас еще более недостижимым, чем масштабирование паутинного шелка.

Мой друг и бывший коллега Стив Саймон, оксфордский профессор теоретической физики конденсированного состояния – один из лучших в мире специалистов по квантовым компьютерам. По его словам, квантовые процессы должны быть свободны от шума, то есть среда, в которой они