Литий-ионная батарея — незамеченный герой современного мира, которая до сих пор используется многими учёными и техниками. Выпущенная в массовый оборот в начале 1990-х годов, она радикально изменила технологическую отрасль благодаря способности хранить огромное количество энергии в относительно небольшом пространстве. Без лития не было бы ни iPhone, ни Tesla, а ноутбуки были бы намного больше и тяжелее.
Но этот драгоценный металл заканчивается во всём мире — и этот факт может сказаться на разработке электромобилей и решений для хранения энергоресурсов, которые нужны для перехода на возобновляемые источники энергии. Поэтому ведущие мировые ученые участвуют в безумной гонке за поиском новых аккумуляторных технологий, которые смогут заменить литий-ион на материал более чистый, дешевый и более распространенный.
И квантовые компьютеры могут стать этим секретным оружием.
Что такое квантовые компьютеры? Как они работают? И как изменят мир?
В своей книге 2013 года «Убийственное приложение Шредингера» Джон Даулинг подсчитал, что для имитации химического элемента тулия на классическом компьютере вам потребуется скупить все мировое производство чипов Intel на следующие 1,5 миллиона лет, что обойдется примерно в 600 триллионов долларов.
Гораздо более быстрой альтернативой подсчёта было бы простое непосредственное измерение атома. Чтобы решить эту и многие другие проблемы, химикам, биологам и физикам помогут компьютеры, сделанные из квантовых компонентов.
В каком-то смысле квантовый компьютер можно представить как программируемую молекулу — систему, состоящую из многих частей и решающую проблемы тремя подходами.
Первый подход предполагает создание специального компьютера для моделирования проблемы, которую вы пытаетесь решить. Такую машину просто построить, но она не будет компьютером в традиционном смысле — вы не сможете легко перепрограммировать её для решения различных задач.
Второй подход включает в себя реализацию алгоритмов, которые показывают, как та или иная система меняется с течением времени. Вы вводите текущее состояние системы в форме её волновой функции и наблюдаете её изменения во времени. Эти «гамильтоновские симуляции», как их обычно называют, имеют огромное количество потенциальных применений и могут быть особенно полезны для понимания и предсказания сложных ситуаций. Например, для понимания того, как растения используют энергию солнца. У растений фотосистема представляет собой сложный комплекс различных ферментов, который осуществляет некоторые из первых стадий фотосинтеза. Использование квантовых компьютеров для моделирования этого процесса может помочь химикам разработать методы искусственного фотосинтеза. И это позволит использовать солнечную энергию для производства топлива.
Третий подход включает в себя поиск новых материалов, который использует генеративное моделирование для создания похожих вещей. Эта способность потенциально идентифицировать новые соединения — одна из причин, по которой медицинская индустрия придёт в восторг от квантовых вычислений. Они могут помочь ученым моделировать сложные взаимодействия и процессы в организме, что позволит открывать новые методы лечения таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, или быстрее понимать новые заболевания, такие как Covid-19.
Уже сейчас небольшие квантовые компьютеры, оснащенные интеллектуальными ресурсосберегающими алгоритмами, начинают использоваться для решения реальных задач в области химии и материаловедения.
Если расширить их производство, может произойти новая промышленная революция, которая позволит более эффективно использовать энергию. Новаторские возможности квантовых компьютеров в сочетании с искусственным интеллектом для анализа больших данных почти наверняка приведут к тому, что учёные смогут смоделировать поведение Вселенной. И тайна появления нашей Солнечной системы и нас самих может с большой вероятностью быть раскрыта уже в этом десятилетии.