Квантовый биокомпьютер

Промежуток времени, разделяющий те моменты, когда производительность наиболее мощных суперкомпьютеров планеты становится доступна вполне обычному настольному или мобильному электронному устройству, может быть длиннее или короче. Но общее правило остается неоспоримым: то, что вчера считалось пределом вычислительных возможностей, завтра становится общедоступной технологией.

Тенденции, доминирующие ныне в узкоспециальной области суперкомпьютерных монстров, занимающих собой здоровенные помещения, на самом деле важны и интересны абсолютно для всех, кто уже не мыслит свою жизнь без компьютерной техники. И именно поэтому особого внимания заслуживают прогнозы экспертов относительно недалекого будущего суперкомпьютеров.

Чемпион мира среди суперкомпьютеров Fujitsu K computer

На проходивший в июне в Гамбурге, Германия, очередной Международной суперкомпьютерной конференции (ISC'12) в качестве одного из основных докладчиков выступал американский ученый Томас Стерлинг. Среди специалистов он широко известен как «отец» популярной кластерной архитектуры Beowulf и как один из создателей самой быстрой на сегодня вычислительной техники петафлопсного масштаба (1 петафлопс = 10¹⁵ FLOPS, т. е. квадриллион операций с плавающей запятой в секунду).

Доклад Стерлинга на конференции был посвящен общему обзору текущих достижений и тенденций в отрасли, однако для данной статьи особый интерес представляет авторитетное мнение специалиста относительно грядущих перспектив суперкомпьютинга. Непосредственно перед ISC'12 в компьютерной прессе появилось обширное интервью Томаса Стерлинга, в котором он аргументированно обрисовал неблестящее, мягко говоря, будущее суперкомпьютеров на основе кремниевых чипов. Суть прогноза сводится к тому, что технологии полупроводниковых микросхем, стабильно развивающие компьютерную индустрию вот уже около полувека, ныне быстро приближаются к своим физическим, идеологическим и конструктивным пределам.

Согласно выводам Стерлинга, порогом производительности для кремниевых чипов станет следующий, экзафлопсный рубеж (порядка квинтиллионов, или 10¹⁸ операций в секунду). А для того, чтобы двигаться дальше, ученым и инженерам придется создавать нечто в корне иное: «Возможно, это будет что-то типа квантового компьютинга, метафорического компьютинга, или биологического компьютинга. Но что бы там ни было, это будет не то, чем мы занимались последние семь десятилетий»...

Томас Стерлинг

Все, кто интересуется новыми компьютерными технологиями, наверняка слышали или читали о некоторых из упомянутых Стерлингом направлениях исследований в области высокопроизводительных вычислений. Больше всего говорят о «квантовых компьютерах», оперирующих регистрами кубитов на основе законов квантовой физики. Заметно меньше — о «биологических вычислителях», построенных на основе сложных биомолекул вроде ДНК. Практически ничего не публикуется, правда, об интригующей технологии «метафорический компьютинг» на базе эффектов нелинейной оптики (подробности можно найти тут), но это тема совсем другого разговора. Здесь же пора рассказать о еще одном любопытном направлении научных исследований под названием «квантовая биология».

Важная роль, которую, как выясняется, играют эффекты квантовой физики в жизни биологических систем, ныне считается одним из наиболее неожиданных и волнующих открытий последних лет в области биологии. Пока что это открытие плохо стыкуется с доминирующими в физике взглядами на мир, однако стабильно растущее число экспериментальных свидетельств и теоретических исследований понемногу укрепляют фундамент квантовой биологии, сулящей не только лучшее понимание природы, но и, среди прочего, существенный прогресс в областях компьютеров, связи и передачи энергии.

Среди наиболее знаменитых примеров квантово-биологических феноменов обычно упоминают два. Во-первых, механизм фотосинтеза, где высочайшая эффективность прохождения энергии через белковые матрицы принципиальным образом зависит от долго сохраняющегося состояния квантовой когерентности. И во-вторых, механизм навигации птиц, где так называемый квантовый эффект Зенона, судя по всему, помогает пернатым определять направление магнитного поля Земли.

Если рассматривать эти феномены с позиций конструирования биологического квантового компьютера, то особый интерес представляет полное понимание процесса фотосинтеза. Однако прежде, чем переходить к содержательным моментам квантово-биологических исследований, имеет смысл немного вспомнить общую историю развития данного направления биофизики.

⇡#Невидимое излучение биофотонов

Огромное количество экспериментальных результатов, свидетельствующих о «невидимых излучениях», постоянно испускаемых живой материей, накапливается в биологии уже почти век. Причем в немалой степени благодаря усилиям ученых нашей страны. Еще в 1920-е годы гистолог Александр Гурвич (1874—1954) открыл сверхслабое ультрафиолетовое излучение, не только испускаемое всеми клетками, но и стимулирующее их деление.

Существование излучения, которое получило от Гурвича название «митогенетическое», было многократно подтверждено разными лабораториями в СССР и других стран. Однако, по причине совершенно непонятной физики происходящего, затем было практически забыто на несколько десятилетий.

В 1960-70-е годы советские биологи получили множество интереснейших результатов, перекликающихся с открытием Гурвича. Так, Борис Тарусов из МГУ занимался исследованиями естественной люминесценции и особых форм «патологического» свечения биологических объектов с помощью высокочувствительных фотоумножителей — устройств, аналогичных по принципу работы армейским приборам ночного видения.

В Новосибирске В. Казначеевым, С. Шуриным и Л. Михайловой в середине 1960-х годов было проведено несколько тысяч экспериментов, не только строго подтвердивших давние результаты Гурвича, но и позволивших обнаружить иные, прежде неизвестные свойства «целостности» живой материи.

Например, колонию клеток с помощью кварцевой перегородки, пропускающей ультрафиолетовое излучение, разделяли на две герметично изолированные части. Одну из частей убивали смертельной дозой радиации, химическим ядом или болезнетворными вирусами. При этом у родственной колонии в соседнем отсеке, не подвергавшемся смертоносному воздействию, каждый раз развивались те же симптомы поражения, что и в первой колонии. Если же перегородка между отсеками была из материала, не пропускающего УФ-лучи, то ничего подобного не наблюдалось. Поскольку изоляция частей проводилась очень тщательно, был сделан вывод, что каким-то образом клетки обмениваются информацией, закодированной в их ультрафиолетовом излучении.

Аналогичного рода исследования, конечно же, давно проводятся и во множестве других лабораторий разных стран мира. К настоящему времени для данного явления устойчиво закрепился термин «биофотоны». Этим термином именуют оптические и ультрафиолетовые фотоны, испускаемые живыми биосистемами в процессах, отличающихся от стандартной химической люминесценции.

Систематическое измерение биофотонного излучения с помощью низкошумящих электронных фотодетекторов ведется с конца 1970-х годов. Так что к настоящему времени порождение биофотонов в оптическом и мягком ультрафиолетовом диапазонах считается надежно установленным для весьма большого количества разных биосистем.

Однако точный физический механизм испускания биофотонов, к сожалению, по сию пору остается неизвестным и демонстрирует весьма необычные свойства. Так, практически для всех изучавшихся биосистем установлено, что энергетический спектр биофотонов почти постоянен в пределах оптического света и мягкого ультрафиолета, а это принципиально отличает его от спектра, ожидаемого для системы с температурой порядка 300 кельвин. В этом диапазоне энергия обычно должна падать на 15 порядков величины.

Как бы там ни было, эксперименты показывают, что масштабы испускания биофотонов и другие параметры излучения отчетливо взаимосвязаны с характеристиками функционирования биосистемы и состоянием ее развития. По причине таких взаимосвязей измерения биофотонов ныне успешно применяются во множестве самых разных областей — от медицинской диагностики до сельского хозяйства и экологии.

⇡#Икра зернистая, коммуникабельная

Хотя в типичных случаях интенсивность испускания биофотонов очень невелика (биофотоны обычно порождаются со скоростью порядка десятка штук в секунду на квадратный сантиметр клеточной культуры), имеющаяся масса экспериментальных результатов свидетельствует, что такое излучение действительно способно играть роль дистанционной передачи сигналов между удаленными друг от друга биосистемами.

В частности, установлено, что когда биофотоны испускаются одним растущим организмом или растением и поглощаются аналогичным организмом на расстоянии порядка нескольких сантиметров, это может повышать в них скорость деления клеток (митоз) до 30% относительно стандартных значений. Этот феномен, именуемый митогенетическим эффектом (МЭ), за последние годы изучен уже весьма подробно. Особо следует подчеркнуть, что постоянное искусственное освещение организмов видимым светом, даже намного (104) более интенсивное, не способно порождать сравнимого увеличения скорости роста.

Поскольку физика процесса остается неизвестной, вплоть до сегодняшнего дня ни МЭ, ни прочие биофотоннные свойства живых клеток не удается описать в рамках стандартных схем и подходов клеточной биологии. Но при этом, как показывают результаты российского исследователя Сергея Майбурова из московского Физического института им. Лебедева, здесь неплохо работают модели из области компьютерных сетей связи.

Общая модель информационного обмена между биосистемами посредством оптического излучения была предложена Майбуровым в статье трехлетней давности (Mayburov, S.: Biophoton production and communications. In Proc. of Int. Conf. on Nanotechnology and Nanomaterials, MGOU Publishing, Moscow, 2009, pp. 351-358).

Автор предположил, что главные особенности таких коммуникаций могут быть аналогичны информационному обмену между удаленными компьютерами посредством двоичных кодированных сообщений. Эта гипотеза была подсказана экспериментами, которые показывают, что излучение некоторых растущих организмов (зародышей рыб) состоит из узких квазипериодических вспышек. Структура паттернов этого излучения, развернутая по оси времени, оказывается примечательно похожей на последовательности электронных или фотонных импульсов, которые используются для передачи двоичных данных по зашумленным каналам связи в компьютерных сетях. Понятно, что эта аналогия могла бы помочь в объяснениях, каким образом клетки способны детектировать излучение столь низкого уровня мощности в шумной окружающей обстановке.

Теперь же, в мае этого года, Майбуров опубликовал препринт новой работы, где для более тщательной проверки исходной модели проведен обширный анализ данных об измерении с помощью фотоумножителей биофотонного излучения икры — или «рыбьих яиц», как выражаются по-английски, — лососевой рыбы гольца (S. Mayburov, Photonic Communications and Information Encoding in Biological Systems. arXiv:1205.4134). В частности, автором предложен возможный алгоритм кодирования фотонных сигналов в межклеточных коммуникациях рыбных икринок...

Конечно же, работа Сергея Майбурова никоим образом не завершает дебаты вокруг биофотонных коммуникаций. Пока еще в этой области исследований остается без ответа слишком много больших вопросов.

Кроме того, в работе Майбурова применяется сугубо классический подход к анализу явления, никак не учитывающий немаловажные эффекты квантовой физики. В комментариях к своим результатам автор и сам указывает на признаки того, что электромагнитное поле биосистем может обладать кратковременной пространственной когерентностью в пределах наблюдаемых фотонных вспышек – аналогично той когерентности поля, что имеется при порождении лазерного импульса.

В отечественной науке известен по крайней мере один эксперимент, непосредственно свидетельствующий, что такая когерентность действительно имеет место (Budagovsky A.V. Biological strutures as the converter of coherent radiation in Biophotonics and Coherent Systems in Biology, Springer, Berlin, 139-159, 2007).

В экспериментальной установке А. Будаговского, похожей на давние опыты группы Казначеева, прозрачная кварцевая пластина размещалась между двумя частями биосистемы, именуемыми индуктором и детектором. В первом цикле опытов параллельные поверхности пластины были гладкими и отполированными, так что пластина не нарушала фазовых соотношений между разными частями волнового фронта входящих фотонов. В другом цикле опытов разделяющая кварцевая пластина имела случайные отклонения в параллельности поверхностей, из-за чего фазовые соотношения в волновых свойствах фотонов нарушались, а значит, нарушалось и воздействие волновой когерентности.

Было обнаружено, что, при сравнении с контрольным образцом изолированной биосистемы, то излучение, которое проходило через случайно деформированную поверхность, приводило к увеличению скорости митоза на 20%, а для случая гладкой поверхности излучение повышало скорость митоза на 45%.

Таким образом, сопоставляя эти результаты с «некогерентными» исследованиями Майбурова, разумно предполагать, что когерентное излучение более эффективно порождает коллективные возбуждения в клеточных кластерах, нежели то электромагнитное поле, в котором фазовые соотношения оказались нарушенными. Если эта гипотеза верна, считает Майбуров, то такое влияние когерентности не изменяет принципиальную схему коммуникаций, предложенную им, а скорее увеличивает ее эффективность.

Пример биофотонного «сообщения рыбьих яиц»

Гипотеза о квантовой когерентности в биологических системах чрезвычайно важна еще и по той причине, что могла бы помочь лучше понять клеточные механизмы за работой: как именно молекулярная механика внутри клеток способна порождать биофотоны и как она может ими управляться.

Хотя никто еще пока толком не знает, каким образом это происходит, новейшие идеи ученых на данный счет сводятся к тому, что различные молекулярные процессы внутри клеток могут излучать фотоны, а далее они транспортируются к поверхности клеток посредством переносящих энергию псевдочастиц-экситонов. Такого же рода механизм работает и в процессе фотосинтеза, перенося энергию солнечных фотонов через гигантские белковые матрицы клеток.

⇡#Когерентность фотосинтеза

В то время как физики уже который год бьются над тем, чтобы построить эффективный квантовый компьютер при низких, криогенного уровня температурах, другие исследователи пытаются достичь цели радикально иным путем. Они уверены, что биологические организмы — в частности, растения, водоросли и бактерии — не только способны к выполнению квантовых вычислений, но и на протяжении миллиардов лет в процессе фотосинтеза делают это при максимально пригодной для жизни температуре.

Благодаря процессу фотосинтеза зеленые растения и сине-зеленые водоросли способны передавать солнечную энергию в центры молекулярных реакций для ее преобразования в химическую энергию с поразительной, почти 100-процентной эффективностью (для сравнения: в наших компьютерах на кремниевых чипах практически вся подаваемая в систему энергия бесполезно уходит на тепловыделение). Считается, что ключом эффективности тут является скорость — преобразование солнечной энергии в биосистемах происходит почти мгновенно, так что совсем малая ее часть теряется на выделение тепла.

Общий механизм фотосинтеза принято считать хорошо изученным, однако каким именно образом здесь организована эта самая почти мгновенная передача энергии — очень давняя загадка, к решению которой физики начали всерьез подступаться лишь 5-7 лет назад. Исследования того периода, проведенные в США учеными Berkeley Lab и Калифорнийского университета, продемонстрировали, что ответ, похоже, лежит в квантово-механических эффектах. Было получено первое прямое свидетельство того, что важную роль в процессах передачи энергии при фотосинтезе играет на удивление долго длящаяся волноподобная квантовая когерентность электронов в молекулах, поглощающих свет. Правда, поначалу продемонстрировать это удалось на образцах хлорофилла, глубоко охлажденных до 77 кельвин.

Затем, в 2010 году, была опубликована работа другой группы исследователей из Университета Торонто, Канада. Ученые показали, что участвующие в фотосинтезе молекулы морских водорослей для передачи световой энергии без потерь могут задействовать квантовые процессы и при комнатной температуре (G. D. Scholes and coworkers. Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature. Nature 463, 644-647. 2010).

Чтобы революционность этого результата стала понятнее, можно напомнить, что подавляющее большинство физиков по сию пору исключает возможность квантовых процессов в работе биологических организмов. Всегда считалось, что при таких высоких температурах квантовые эффекты не могут сохраняться долго настолько, чтобы появилась хоть какая-то польза для механизмов жизнеобеспечения. Иначе говоря, суть того, что проделали в канадском университете, важна принципиально. Но для понимания этой сути понадобится немного углубиться в нюансы фотосинтеза.

Данный процесс начинается в клетке тогда, когда крупные светоабсорбирующие структуры, именуемые усиками, захватывают фотоны. Конкретно в водорослях Chroomonas, изучавшихся биофизиками, эти усики имеют восемь пигментных молекул, вплетенных в куда более крупную белковую структуру, причем разные пигменты абсорбируют свет из разных частей светового спектра. Затем энергия фотонов проходит через усики к той части клетки, где она используется для выработки сахара — химического топлива организма.

Критично важным в данном процессе является маршрут, который выбирает энергия при своих прыжках через эти крупные молекулы, потому что чем длиннее маршрут, тем больше могут быть потери. В классической физике считается, что энергия может перемещаться по молекулам только случайным образом. Однако исследователи в Торонто обнаружили, что в действительности механизм выбора маршрута для энергии может быть в высшей степени эффективным. А свидетельство тому дает согласованное поведение пигментных молекул в усиках водорослей Chroomonas.

Сначала ученые коротким лазерным импульсом возбуждали две из этих молекул, из-за чего электроны в пигментных молекулах переходили в квантовую суперпозицию возбужденных состояний, после чего излучаются фотоны несколько иных длин волн. Излученные волны, с одной стороны, свидетельствуют о наличии квантового эффекта, а с другой — в свою очередь, накладываются друг на друга с образованием характерной интерференционной картины. Изучая именно эту структуру интерференции в излучаемом свете, исследователи смогли восстанавливать детали квантовой суперпозиции, которая порождает картинку.

Результаты данного анализа оказались удивительными. Выяснилось, что в суперпозиции участвуют не только две пигментные молекулы в центре усиков, но также и шесть остальных пигментных молекул. Причем это состояние квантовой когерентности связывает все молекулы необычайно долго — на протяжении 400 фемтосекунд (4×10^-13 секунд). Этот интервал оказывается достаточно длительным для того, чтобы энергия абсорбированных фотонов одновременно «опробовала» все возможные пути движения по усику. Когда же когерентность заканчивается, энергией уже выбран оптимальный маршрут, позволяющий осуществить перемещение без потерь.

Это открытие, надо повторить, особенно важно тем, что демонстрирует «невозможную теплую когерентность»: в водорослях Chroomonas подобного рода эффекты идут постоянно при комнатной температуре 21 градус по Цельсию.

Каким именно образом эти молекулы остаются когерентными в течение столь продолжительного по квантовым масштабам времени, при столь высоких температурах, да еще при относительно огромных расстояниях между молекулами — все это пока остается загадкой. Хотя разных идей, конечно, хватает — например, на данный момент среди исследователей, занимающихся данной областью, преобладает точка зрения, согласно которой ключевую роль в обеспечении всего процесса играют белковые матрицы, в которые вплетены пигменты. Поскольку без этих структур никакой когерентности не получается, делается вывод, что матрицы выполняют роль уже известного в квантовом компьютинге механизма для «квантовой коррекции ошибок».

⇡#«Подвешенная область» на грани порядка и хаоса

Очевидное несоответствие между наблюдениями биофизиков и общепринятой квантовой теорией приводит многих ученых к заключению, что «что-то здесь не так». То есть либо измерения экспериментаторов каким-то образом оказываются все время неправильными, либо же имеется какой-то необнаруженный пока еще механизм, препятствующий процессу быстрой декогеренции в условиях горячей и влажной среды внутри живых существ.

Весной этого года интернациональная команда исследователей — американский биолог Стюарт Кауффманн, венгерский физик Габор Ваттаи и его коллега из Финляндии Самули Нииранен опубликовали теоретическую работу с описанием именно такого механизма (G. Vattay, S. Kauffman & S. Niiranen. Quantum biology on the edge of quantum chaos. arXiv:1202.6433vl).

Стюарт Кауффманн

Расчеты этих ученых показывают, что при определенных особых обстоятельствах квантовые системы могут оставаться когерентными на протяжении намного больших временных интервалов и расстояний, нежели это позволяют им традиционные квантовые представления. А кроме того, с помощью компьютерных симуляций они демонстрируют, что биология, вероятно, использует именно этот специфический механизм в процессе фотосинтеза.

Смоделированная учеными конструкция сфокусирована на необычном, даже по квантовым меркам, феномене квантового хаоса, при котором небольшие изменения в квантовой системе могут иметь гигантское влияние на ее эволюцию — так же как и в классических нелинейных хаотических системах. Когда же система изменяется от просто квантовой к квантово-хаотической, она проходит через своего рода фазовый переход состояния. Новая теория сосредоточена именно на этом переходе.

Как давно уже установлено физиками, когда система тонко балансирует между разными фазами, в ней могут появляться случаи весьма странного поведения. Например, все знают, что вода меняет свое фазовое состояние от газа к жидкости, а затем к твердому телу при определенных температурах и давлениях среды. Причем все эти фазовые состояния имеют хорошо определенные свойства. Однако имеются также определенная температура и давление, при которых все три состояния воды могут сосуществовать одновременно. При этом состоянии, именуемом «критический переход», различие между газом, жидкостью и твердым телом, по сути дела, исчезает.

Новое же исследование показывает, что подобный критический переход появляется тогда, когда квантовые системы переключаются в хаотический режим. Здесь исчезает различие между хаотическим поведением и обычным (линейным) квантовым поведением системы. И в этих условиях квантовая когерентность неожиданно меняется от хрупкого и мимолетного режима к намного более устойчивому и надежному долгоживущему феномену, получившему название Poised Realm, т. е. «подвешенная область».

И именно в этом состоянии, считают Кауфман и компания, должны происходить наблюдаемые в опытах процессы квантовой биологии. Этот же критический переход, о котором говорят ученые, также известен в физике как «переход металл-изолятор» (MIT), позволяющий с минимальными потерями транспортировать квантовую информацию и энергию.

Как пишут авторы, системы с надлежащим уровнем сложности в состоянии между хаосом и регулярностью способны наращивать время своей когерентности на несколько порядков величины. Такие системы в состоянии около «критического квантового хаоса» или «перехода металл-изолятор» могут в одно и то же время иметь длительное время когерентности и когерентного переноса энергии. Новая теория, протестированная в реалистичной модели светоабсорбирующей системы фотосинтеза, воспроизводит масштабы критично важных феноменов, описанных в недавних экспериментальных работах.

Так что если все это хозяйство можно будет сделать работающим при комнатной температуре, как предполагают исследователи в своей публикации, то могут стать возможными и самые разные типы новых высокоэффективных квантовых устройств.

А кроме того, если смотреть на задачу чуть шире и вспомнить, что целый ряд ученых и в мозге человека уже давно усматривает признаки работы квантового компьютера, то есть шанс на этом пути узнать нечто содержательное также и о тайнах человеческого сознания.