Как квантовый компьютер поможет разгадать загадку
происхождения жизни

Квантовые компьютеры могут радикально изменить мир? Определенно да, уверен известный физик и популяризатор науки, профессор Городского университета Нью-Йорка (CUNY) Митио Каку. Его новая книга «Квантовое превосходство: революция в вычислениях, которая изменит все» рассказывает о квантовых вычислениях и их потенциальном влиянии на будущее человечества.

Каку объясняет, как квантовые компьютеры используют законы квантовой механики, например, суперпозицию и запутанность, что позволяет им обрабатывать данные намного быстрее и эффективнее традиционных компьютеров. Развитие квантовых компьютеров может привести к революционным открытиям в криптографии, медицине, сфере искусственного интеллекта, космических исследованиях и многих других областях, убежден ученый.

Книга вышла в издательстве «Альпина нон-фикшн», «Большие идеи» публикуют отрывок.

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 подобию из праха земного, а затем вдохнул в него жизнь. Растения и животные были сотворены для того, чтобы человек ими распоряжался.

В греческой мифологии в начале были только бесформенный хаос и пустота. Но из этой безграничной пустоты 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, возможно, загадок всех времен. Этот вопрос чаще любого другого выходил на первый план в религиозных, философских и научных дискуссиях. На протяжении всей истории многие мыслители верили, что существует некая загадочная «жизненная сила», способная оживить неживое. 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 веке 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 прежде. Пастер продемонстрировал, что при помощи кипячения воды можно создать стерильную среду, в которой никакие организмы спонтанно не возникнут.

Даже сегодня в наших представлениях о том, как почти миллиард 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 компьютеры 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 годы произошло два масштабных прорыва, задавших на десятилетия вперед направление дальнейших исследований, посвященных происхождению жизни. Сначала в 1952 году аспирант Стэнли Миллер, работавший в Университете Чикаго под руководством Гарольда Юри, провел простой эксперимент. Он взял сосуд с водой и добавил туда ядовитый 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 ультрафиолетового излучения от Солнца ), он добавил туда небольшую электрическую искру. А потом ушел и оставил экспериментальную 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 компонентов 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 представить себе, к примеру, что источником основных химических элементов, необходимых для создания первых химических веществ жизни, могли послужить токсичные химикаты, обнаруживаемые в гидротермальных источниках на дне океанов, и что эти же вулканические источники могли обеспечить энергию для превращения этих химикатов в аминокислоты, 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 обнаружены в далеких газовых облаках за много световых лет от нас и внутри метеоритов, прилетевших к нам из открытого космоса. Может быть, аминокислоты на основе углерода образуют семена жизни всюду, по всей Вселенной. И все это благодаря простым способностям к образованию химических связей, присущим водороду, углероду и кислороду и предсказанным уравнением Шрёдингера. Таким образом, мы должны, по идее, иметь возможность применить квантовую механику и найти, шаг за шагом, квантовые процессы, положившие начало жизни на Земле. Элементарная квантовая теория помогает нам понять, 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 химических связей метана, аммиака и т.п. для создания аминокислот. Уравнения квантовой механики показывают, что энергии электрической искры вроде той, что была в эксперименте Миллера, для этого достаточно. Более того, квантовая механика свидетельствует, что если бы энергия активации, 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 электронов. Два из них занимают орбиталь первого уровня, а оставшиеся четыре располагаются по отдельности на четырех местах орбиталей второго уровня. Это оставляет пространство для четырех химических связей. Элементы с четырьмя связями в периодической таблице химических элементов встречаются редко. Но правила квантовой механики позволяют этой структуре составлять длинные и сложные цепочки из атомов углерода, кислорода и водорода, создавая таким образом аминокислоты.

В-третьих, эти химические реакции протекают в воде, H2O, 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, распределенным по ней неравномерно. Этот электрический заряд достаточно велик, чтобы разрывать слабые связи других химических веществ, и именно поэтому вода может растворять многие вещества.

Таким образом, мы видим, что основы квантовой механики вполне способны создать условия для жизни. Но встает следующий вопрос: в состоянии ли мы пойти дальше эксперимента Миллера и посмотреть, может ли квантовая теория 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 году Эрвин Шрёдингер, уже прославившийся к тому моменту своим волновым уравнением, написал знаковую книгу под названием «Что такое жизнь?». В ней он сделал смелое заявление, что жизнь сама по себе есть побочный продукт квантовой механики и что проект жизни зашифрован в какой-то неизвестной молекуле. В эпоху, когда многие ученые все 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 математики в виде шифра, передаваемого из поколения в поколение посредством этой загадочной молекулы.

Идея вызвала скандал в научном сообществе. Но двое молодых ученых, физик Фрэнсис Крик и биолог Джеймс Уотсон, восприняли ее как вызов. Если основа жизни может быть обнаружена 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?” Шрёдингера, я нацелился на раскрытие тайны гена», — вспоминает Уотсон.

Они рассуждали так: молекула жизни, предсказанная Шрёдингером, должна быть скрыта в генетическом материале ядра клетки, значительная часть которого состоит из химического вещества под названием дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Но поскольку органические молекулы, такие как ДНК, очень малы (меньше даже, чем длина волны видимого света) и они невидимы, задача ученых представлялась крайне сложной. Они выбрали косвенный метод и решили использовать для поиска своей мифической молекулы процесс рентгенографической кристаллографии, основанный на квантовой теории. Рентгеновские лучи, в отличие от видимого света, могут обладать длиной волны, сравнимой с размерами атома.

Если рентгеновские лучи пропускаются сквозь кристалл, состоящий из триллионов и триллионов молекул, организованных в некую решетку, лучи рассеиваются на этой решетке и образуют после этого ясно видимую интерференционную картину, которую можно сфотографировать. Подготовленный физик может изучить фотопластинки и определить, кристаллическая структура какого типа образовала эту картину.

Взглянув на рентгеновские фотографии ДНК, сделанные Розалиндой Франклин, Крик и Уотсон увидели интерференционную 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, содержащими атомы углерода, водорода и кислорода. Исходя из этого, они, как дети, собирающие модель из конструктора 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 биологии и медицины. Веком ранее Чарльз Дарвин нарисовал эскиз Древа жизни, ветви которого представляли все богатое разнообразие ее форм. Это громадное Древо брало свое начало от одной-единственной молекулы. И, как предсказывал Шрёдингер, 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 нуклеиновые кислоты, обозначаемые A, C, T и G, выстроены в линейной последовательности и образуют две длинные параллельные цепочки, которые затем сращиваются перекладинками, подобно лестнице, и создают молекулу ДНК. (Нить ДНК невидима, но если ее распутать, то длина одной молекулы достигала бы почти 2 м.) Когда приходит пора самокопирования, двойная спираль ДНК раскручивается и разделяется на две отдельные цепочки нуклеиновых кислот. Затем каждая из цепочек служит своеобразным шаблоном, захватывая другие атомы в нужном порядке, так что в конечном итоге каждая отдельная цепочка вновь становится двойной и снова закручивается в спираль. Именно так жизнь воспроизводит себя. Теперь у нас есть архитектура, по которой можно выстраивать молекулу ДНК, пользуясь при этом математикой квантовой теории. Но определение базовой формы молекулы ДНК было в каком-то смысле легкой частью задачи. Трудная часть — это расшифровка миллиардов кодов, скрытых в этой молекуле. Представьте, что вы, пытаясь разобраться в музыке, научились в конце концов извлекать несколько нот из клавиатуры пианино. Но это не делает вас Моцартом. Знакомство с первыми нотами — всего лишь начало долгого пути.