Kvantarvutid lahendavad probleeme ja tekitavad uusi

Kvantarvutid on üks füüsika ja arvutiteaduse kõige põnevamaid ja keerukamaid uurimisvaldkondi.

ÜLAR ALLAS

Teadus- ja arendustegevuses võiksid kvantarvutid tekitada tõelise revolutsiooni. Ühtlasi tuleb tagada, et ettevõtted, valitsused ja avalikkus oleksid kvantarvutite võimalustest ja nendega kaasnevatest riskidest teadlikud. Vaid nõnda saab valmistuda tulevikuks – nii heaks kui halvaks.

Praeguste personaalarvutite võimsus on suurem kui mõned aastakümned tagasi aimatagi osati. Ma kirjutan seda artiklit sülearvutil, millel on 64 GB muutmälu ja mille taktsagedus on 2,9 GHz. See tähendab, et mu arvutil on 64 miljardit baiti arvutusmälu ja töötlemiskiirus on 2,9 miljardit tehet sekundis. Muljetavaldav, eks? Kuid eriti andmerohkete arvutuste jaoks jääb sellestki võimsusest vajaka.

USA sooritas viimase tuumarelvakatsetuse 1992. aastal. Sellest ajast alates on riik jätkanud tuumarelvadega eksperimenteerimist, kuid teinud seda virtuaalselt – arvutisimulatsioonide abil. Tuumaplahvatuse simuleerimine kätkeb väga palju matemaatikat. Tavaarvutil kuluks sedasorti ülesande lahendamisele nii palju aega, et kogu ettevõtmine osutuks mõttetuks. Seepärast tuleb vastavateks simulatsioonideks kasutada superarvuteid. Tavaarvutid ja superarvutid erinevad umbes samapalju nagu vormelid ja tavalised sõiduautod. Superarvutid koosnevad kümnetest või sadadest tuhandetest arvutustuumadest ning need lahendavad hetkega ülesande, milleks tavaarvutil kuluks nädalaid, kuid või aastaid. Superarvutitega teostatavaid arvutustöid nimetatakse kõrgjõudlusega andmetöötluseks ehk HPCks (ingl high performance computing).

Viimase 25 aastaga on superarvutite võimsus kasvanud miljon korda. See tähendab, et praegu saame lahendada miljon korda keerulisemaid probleeme. Hetkeseisuga on maailma võimsaim superarvuti USAs paiknev Frontier, mis sooritab rohkem kui kvintiljon (10¹⁸) arvutustehet sekundis. Kui kõik maailma 8 miljardit elanikku saaksid kalkulaatorid ja teeksid igas sekundis ühe arvutustehte, kuluks neil 4,5 aastat, et teha ära töö, mille Frontier teeb üheainsa sekundiga. Frontieri kasutatakse peamiselt uute energia-, meditsiini- ja materjalitehnoloogiate väljatöötamiseks.

Võimsad superarvutid meelitavad ligi tippteadlasi nii nagu kiireimad vormelid parimaid piloote. Edukad on need riigid, kus paikneb rohkem superarvuteid. Viis aastat tagasi tõdesid Euroopa Liidu liidrid, et kohalik superarvutite ökosüsteem on USA ja Hiinaga võrreldes maha jäänud. Euroopa teadlased ja ettevõtted töötlesid oma andmeid pahatihti väljaspool Euroopa Liitu, kuna siin ei pakutud neile piisavat võimsat arvutusressurssi. See tekitas probleeme privaatsuse, andmete omandiõiguse ja ärisaladuste kaitsega, rääkimata innovatsioonipotentsiaali puudumisest. Olukorra parandamiseks loodi kõrgjõudlusega andmetöötluse ühisettevõte (EuroHPC JU), mille eesmärgiks on parandada Euroopa Liidu konkurentsivõimet ja vähendada sõltuvust välismaisest tehnoloogiast. Selleks kavatsetakse välja arendada Euroopa enda superarvutite täielik tarneahel. Samal ajal tegeldakse HPC-tehnoloogia võimaluste tutvustamise, koolituste korraldamise ja teavitustööga. Need investeeringud on hakanud vilja kandma. Euroopa eri piirkondades on alustanud tegevust kaheksa uut superarvutit. Nende lipulaevaks on Soomes paiknev LUMI, mis on maailmas võimsuse poolest kolmandal kohal. Eesti Teadusarvutuste Infrastruktuuri (ETAIS) vahendusel on ka meie teadlastel ja ettevõtetel võimalik LUMI arvutusressursse kasutada. Lisaks uute superarvutite rajamisele näeb EuroHPC JU tegevusplaan ette Euroopasse kuue kvantarvuti ehitamist.

Erakordne arvutusvõimsus

Kvantarvutid rakendavad arvutuste tegemiseks kvantmehaanika põhimõtteid. Seetõttu erinevad nad fundamentaalselt tavaarvutitest, mille töö printsiip tugineb klassikalise füüsika seadustele. Tavaarvutid kasutavad info töötlemiseks ja andmete hoiustamiseks bitte. Biti väärtus võib olla 0 või 1. Bitid kombineeritakse baitideks, millega defineeritakse muuhulgas tähti, numbreid, muusikat ja videoid. Seevastu kvantarvutites kasutatakse bittide asemel kvantbitte (ingl qubit), milleks on subatomaarsed osakesed – elektronid või footonid. Tinglikult võiks kvantbitti kirjeldada kui kera, mille poolusteks on 0 ja 1. Kvantbiti olek võib olla 0, 1 või superpositsioon – mitu olekut korraga. Näiteks võib kvantbiti olek olla 50% tõenäosusega 0 ja 50% tõenäosusega 1. Superpositsiooni oleku tekitamiseks mõjutatakse kvantbitte laseri või mikrolainega. Arvutuse tulemus selgub siis, kui kvantbitte mõõdetakse – see põhjustab nende kvantoleku kollapsi kas 0-ks või 1-ks.

Superpositsiooni olemust on lihtsam mõista, kui kujutada mündiga kulli või kirja heitmist. Tavaline bitt saab eksisteerida kahes olekus – kulli või kirjana. Kui me aga münti vaadates näeksime korraga nii kulli, kirja kui ka kõikvõimalikke vahepealseid olekuid nende vahel, oleks münt superpositsioonis.

Kvantbittidel on põimumisvõime, mis tähendab, et nad võivad olla samas kvantolekus ja töötada samaaegselt. Üks osake näib justkui teadvat, mida teine samal ajal teeb. Seda isegi pika vahemaa tagant ja valguse liikumisest suuremal kiirusel. Ajaloost on teada, et Albert Einstein ei uskunud kvantosakeste põimumise fenomeni ja nimetas seda „tontlikuks kaugmõjuks“. Kuigi põimumise olemust ei osata tänini selgitada, on see kvantarvutite võimsuse alustoeks. Kui tavaarvutil bittide arvu kahekordistada, kasvab arvutusvõimsus kaks korda. Seevastu kvantbittide lisandumine kasvatab võimsust eksponentsiaalselt. Kahe kvantbitiga kvantarvuti teeb korraga neli (2²) arvutust ja kolme kvantbitine kaheksa (2³) arvutust. 300-kvantbitine seade sooritab üheaegselt 2³⁰⁰ arvutust – sama palju arvutusi, nagu teadaolevas universumis aatomeid.

Tänu kvantosakeste iseärasustele võimaldavad kvantarvutid täiesti uut liiki andmetöötlusviisi. Nende abil saab paralleelselt töödelda suuri andmehulki ja kiiresti lahendada teatud tüüpi probleeme, millele isegi kõige võimsamatel superarvutitel kuluks aastaid või lausa sajandeid. Paraku on kvantarvutid väga tundlikud ümbritseva keskkonna suhtes. Vähimgi välismõju, näiteks magnetväli, temperatuuri muutus või kosmiline kiirgus, võib kvantosakesed juba enne arvutuse lõppu superpositsioonist välja kukutada ja arvutustulemuse ebausaldusväärseks muuta. Tundlikkus välismõjude suhtes teeb kvantarvutite ehitamise, hooldamise ja kasutamise keeruliseks. See on üks peamisi põhjusi, miks kvantarvuteid veel niipea laialdaselt kasutama ei saa hakata. Mõned firmad, näiteks IMB ja Google, püüavad osakesi stabiliseerida absoluutsele nullile (–273 °C) läheneva temperatuuriga. Teised, näiteks IonQ, rakendavad samal eesmärgil vaakumkambreid. Samal ajal peavad kvantbitid jääma kontrollitavaks, mistõttu nende täielik isoleerimine on problemaatiline. Isegi parimad kvant­arvutid teevad iga 1000 tehte järel vea ja seda on ülemäära palju. Kvantbittide lisamine mõnevõrra kompenseerib vigu, kuid usaldusväärse kvantarvuti ehitamiseks oleks vaja sadu tuhandeid kvantbitte. Sellele tasemele jõudmiseks võib veel kuluda üle kümne aasta.

Vastused seni esitamata küsimustele

Kui varsti ilmuvad kvantarvutid, mis ei tee vigu, on neil võrreldes tänapäevaste superarvutitega kuhjaga eeliseid. Kõige erutavam kvantarvutite omadus pole see, et nad tõstavad andmetöötluse kiiruse uuele tasemele, vaid see, et nad võimaldavad lahendada probleeme, mille lahendamisega praeguse riistvaraga ei viitsita tegeleda. Lisaks võivad kvantarvutid aidata leida vastuseid küsimustele, mida pole veel osatud küsidagi. Just nagu interneti algusajal ei osatud ette kujutada, et sama tehnoloogia võiks võimaldada eBays kaupu müüa, Bolti taksot tellida või muusikat alla laadida.

Eriti edukalt saab kvantalgoritme rakendada paljudest osakestest koosnevate süsteemide uuringutes, näiteks keemia, ravimiuuringute ja materjaliteaduse valdkondades. Tavapärase andmetöötlusega on tuhandete aatomite omavaheliste interaktsioonide uurimine väga raske. See tähendab, et praegu saavad teadlased töötada vaid tühiste probleemide kallal.

Vesiniku aatomil on üks positiivselt laetud prooton ja üks elektron ning seda on kerge ka tavalises sülearvutis simuleerida. Seevastu näiteks tuuliumil leidub 69 elektroni ja sellise aatomi simulatsioon ületab kaugelt klassikalise arvuti võimekuse. Kui kirjeldada igas sekundis tuuliumi aatomi üht võimalikku olekut, kuluks 20 triljonit aastat – üle tuhande korra kauem kui universum on eksisteerinud. Kvantarvutid võiksid olla imerelvaks uute materjalide leidmisel, kuna praegused vahendid ei võimalda aatomite käitumist aines hästi modelleerida.

Päikesepaneelide efektiivsus on ligikaudu 20%, mis tähendab, et lõviosa energiast läheb kaotsi. Kvantarvutite abil loodetakse disainida materjale, mis suurel määral parandavad päikesepaneelide energiatõhusust. Sellest tõuseks tulu eriti põhjapoolsetes piirkondades, kus päikesevalgust on vähem.

Liitiumioonakud ilmusid turule 1990. aastate alguses ja need on tehnoloogiatööstuses väga laialdaselt kasutusel. Ilma liitiumita poleks iPhoneʼi ega Teslat ning meie sülearvutid oleksid palju suuremad ja raskemad. Kuid maailma liitiumivarude vähenemine teeb elektrisõidukite ja taastuvenergiale üleminekuks vajalike energiasalvestite arendamise problemaatiliseks. Kvant­algoritmid võiksid aidata otsida uut tüüpi akusid, mis on kergemad, võimsamad ega vaja liitiumit.

Kvantalgoritmidega loodetakse märkimisväärselt kiirendada uute ravimite väljatöötamisele kuluvat aega, kuna ravimimolekulide modelleerimine on väga andmemahukas protsess. Seega kasvab tõenäosus, et saadakse uusi tõhusaid ravimeid vähi, Alzheimeri tõve ja diabeedi raviks. Lisaks võiksid kvantsimulatsioonid vähendada uurimiskulusid ning vajadust inim- ja loomkatsete järele.

Lehmade ja teiste mäletsejate seedesüsteemis elavad mikroobid, mis toodavad metaani. See on kasvuhoonegaas, mille kasvuhooneefekti tekitav mõju on 20 korda suurem kui süsinikdioksiidil. Mõned firmad, näiteks ArkeaBio, töötavad välja vaktsiine, mis käivitavad lehmadel metaani tootvate mikroobide vastase antikehade tootmise. Vaktsiine kasutades saaks ohutult vähendada loomafarmide globaalset metaaniheidet. Kvantarvuti võiks vastavaid uuringuid kiirendada ja aidata otsida vaktsiinide tarbeks ideaalseid molekule.

Kvantandmetöötlusel arvatakse olevat tugev mõju ka finantssektorile, kuna uus tehnoloogia võimaldab paremat finantsanalüüsi ja pettuste tuvastamist. Suured pangad, näiteks JPMorgan Chase, eksperimenteerivadki juba kvanttehnoloogiaga, et hinnata selles peituvaid uusi võimalusi.

Kõik pole kuld, mis hiilgab

Kuigi kvantarvutitest võib inimkonnale tõusta palju kasu, tekitavad nad ka küsitavusi. Kõik uue tehnoloogiaga kaasnevad riskid ja ohud, isegi teoreetilised, vajavad teadvustamist ja uurimist. Kasutusse on ilmunud termin Q-päev (Q-day). See on päev, mil kvantarvuti on võimeline lahti murdma krüpteerimisalgoritmid, mida praegu andmete ja kommunikatsiooni kaitsmiseks kasutatakse. Mõne kuu eest avaldas rühm Hiina teadlasi artikli, milles väidetakse, et neil on kvantalgoritm, mis võib tavalise RSA-krüpteeringu 372-kvantbitise kvantarvutiga purustada. Ehkki artikli järelduste üle vaieldakse, on selge, et tuleb arendada uusi krüptograafilisi algoritme, mis paneksid vastu kvantarvutite rünnakutele. Q-päeval saab olema erakordne mõju interneti kasutajatele, pankadele ja valitsustele, kuna tavaarvutite turvalisus väheneb ja andmevargused ning nendega manipuleerimine lihtsustub. Samuti kardetakse, et kvant­arvutite levik võib anda uut hoogu riikide võidurelvastumisele.

Kvantarvutite tehnoloogia areneb ja täiustub pidevalt, kuid arendustööd on kallid ja seda saavad endale lubada vaid rikkad firmad ja riigid. Kvantarvutite kasutamine pole samuti odav lõbu. IBM kasseerib klientidelt 27-kvantbitise Falconi kasutamise sekundi eest 1,6 dollarit. Hinnad peaksid tublisti langema, et suurte probleemide lahendamine oleks taskukohasem. Näiteks lämmastiku bioloogilise fikseerimise simulatsioonid võiksid muuta väetiste tootmise odavamaks ja energiasäästlikumaks, kuid selle arvutuse maksumus oleks 22 miljardit dollarit.

Superarvutite puhul ei saa üle ega ümber energia temaatikast, sest suur arvutusvõimsus nõuab tohututes kogustes elektrit. Praegu kulub IT-sektorile rohkem kui 10% globaalsest elektrienergiast ja see arv suureneb. Võimas superarvuti vajab sama palju energiat nagu väike linn. Fugaku, võimsuse poolest maailma teine superarvuti, kulutab ligikaudu sama palju elektrit nagu 100 000 Eesti majapidamist. Loomulikult püütakse arendada „rohelisemaid“ süsteeme ja mõnel juhul on see ka hästi õnnestunud. Näiteks superarvuti LUMI tarbib üksnes hüdroelektrienergiat ja protsessorite töö käigus tekkivat soojust kasutatakse Kajaani linna kütmiseks.

Kuna kvantarvuti lahendab mõne tunniga probleemid, milleks superarvutil kulub tuhandeid aastaid, on loomulik eeldada, et energiat vajatakse palju vähem. Samal ajal on vaja kvantbitte jahutada ja see nõuab palju energiat. Mida usaldusväärsemat tulemust tahame saada, seda rohkem energiat kulub.

Uus ja vana tehnoloogia käivad käsikäes

Kvantarvutite ajalugu pole kuigi pikk. Nende ehitamise idee pakkusid 1980. aastal välja USA füüsik Paul Benioff ja vene matemaatik Juri Manin. Tosin aastat hiljem tõestas Peter Shor, et kvant­arvuti abil saab mõistliku aja jooksul teha arvutusi, mis tavalist arvutit kasutades vältaksid kauem kui universumi ajalugu. Esimene eksperimentaalne kvantarvuti konstrueeriti 1998. aastal USAs. See omas kahte kvantbitti ja töötas tuumamagnetresonantsi põhimõtetel.

Kvantbittidega töötamine on keeruline teaduslik-tehniline väljakutse. Kuigi hellitatakse lootust, et kunagi saab kvant­arvutitega lahendada probleeme, mida tavalised arvutid kunagi lahendada ei suuda, puudub praegu üksmeel isegi selles, kuidas parimat kvantarvutit konstrueerida. Valitsused, suurkorporatsioonid, riskiinvestorid ja teadusasutused kulutavad kvanttehnoloogia uuringutele miljardeid dollareid ning IT-gigandid Google, Microsoft ja Intel võistlevad selle nimel, kes suudab kiiremini uute lahendustega lagedale tulla. 2019. aastal võitis tähelepanu Googleʼi 53-kvantbitine arvuti Sycamore, mis lahendas vaid 200 sekundiga ülesande, mille peale toonasel maailma võimsaimal superarvutil Summit oleks kulunud 10 000 aastat. Võidujooksu juhib IMB, mille uusim kvantprotsessor Osprey sisaldab 433 kvantbitti. Veel tänavu loodetakse jõuda 1000-kvantbitise protsessorini. Tulu esialgu veel ei teenita.

Näib, et kvantarvutite tehnoloogia on ligikaudu samas arengujärgus nagu tavaarvutitel 50 aastat tagasi ja nende arendamiseks tuleb veel läbida pikk ja okkaline teekond. Ometi võivad järgmised arenguhüpped toimuda väga lühikese aja jooksul, mistõttu on paljud ettevõtted juba alustanud „kvantrännakuga“ ja mõtlevad sellele, kas ja kuidas oleks võimalik uut tehnoloogiat oma äri huvides tööle panna. Teatud valdkondades annab kvantarvutite kasutamine tulevikus kindlasti konkurentsieelise.

Kvantarvutid on üks füüsika ja arvutiteaduse kõige põnevamaid ja keerukamaid uurimisvaldkondi. Samal ajal on kvantarvutite võimalused piiratud. Need on mõeldud teadus- ja tööstusuuringuteks ja neid ei hakata kunagi kasutama näiteks e-kirjade saatmiseks. Seega ei kao tavaarvutid kvantarvutite saabudes kuhugi, nagu ka raadio ei kadunud pärast televisiooni leiutamist. Pigem hakkavad vana ja uus tehnoloogia teineteist täiendama. Praegu luuakse hübriidsüsteeme, milles kvantarvuti on integreeritud klassikalise superarvutiga. Üks niisugune projekt on NordIQuEst, kus peale Norra, Rootsi, Taani ja Soome spetsialistide osalevad ka Tartu ülikooli teadusarvutuste keskuse töötajad. Tänu NordIQuEsti raames loodud platvormile avaneb Eesti teadlastele peagi ligipääs Soome hübriidsüsteemile, mis koosneb superarvutist LUMI ja kvantarvutist Helmi.

Kvantalgoritmid erinevad suuresti tavalistest algoritmidest ja eeldavad sootuks teistmoodi loogilist mõtlemist. Selleks et järgnevad põlvkonnad end uue tehnoloogia tulekul abituna ei tunneks, tuleb peagi koolides kvantalgoritmide koostamise põhitõdesid õpetama hakata. See pole kerge ülesanne. Imperial Collegeʼi professorit Terry Rudolphit parafraseerides sarnaneb kvantarvutite töö selgitamine sellega, kui püüaksime kirjeldada van Goghi „Tähistaevast“, olles näinud maalist vaid mustvalget fotot, mida on koer nätsutanud. Veel hiljuti kippus kvantarvutite maailm liigituma müstika valdkonda. Näiteks on püütud kvantarvutite tööd selgitada paralleeluniversumite olemasoluga. Mõistagi muudab uus tehnoloogia maailma ka siis, kui kasutajad ei mõista selle toimimisprintsiipi. Kuid see pole muutus, mille järele me januneme.

Ülar Allas on Tartu ülikooli teadus­arvutuste keskuse konsultant.