Superarvuti, mida pole veel olemas
Tiit Kändler
27.03.2015

Kui keegi räägib kvantarvutitest, siis millest ta räägib? Kvantarvuti on siiani jäänud mõtteliseks eksperimendiks, mille näidiseksemplarid on ometigi valmis ehitatud. Püüame mõista, mille poolest kvantarvuti erineb tavaarvutist.

Teie süles või laual on arvuti, olgu see siis personaalarvuti, tahvelarvuti, sülearvuti või nutitelefon. Selles arvutis on tuhandeid ja miljoneid tillukesi, kuni nanomõõtmeteni välja ehitusosi, mikro- ja nanoelektroonikat: transistore ja neil ehitatud mikroprotsessoreid. Kuid kogu arvuti töötab nagu aju, käsi ja kivikirves. Te annate talle käsu, tema rehkendab ja annab selle peale vastuse. Lööb ekraanile pildi või teksti, nii nagu kivikirves lajatab inimese ajust saadud impulsi peale liikuma hakanud käega vastu mammuti kolpa. Arvutis on küll leiutatud kaval paralleelne rehkendus, mis arvuti tööd kiirendab, kuid ikkagi arvutab ta põhimõtteliselt üht ülesannet korraga ja seepeale annab teile üheainsa vastuse. Kui andsite talle valed algandmed ja ääretingimused, tuleb ka vastus vale.
Kvantarvuti töötab kvantmaailma reeglite järgi. Mis tähendab, et see rehkendab tuhandeid, miljardeid või biljoneid tehteid ühekorraga, paralleelselt ja annab teile ka mustmiljon vastust ühekorraga.
Tuleb vaid leida õige nipp, et õige vastus vastuste tohutu hulga seest üles leida. Ja kuidas isoleerida kvantmaailma, milles arvuti elab, meie tavapärasest, mõnusalt suurest maailmast. Sest kvantarvuti ei taha kokku puutuda makromaailmaga, mis hävitab hoobilt kvantmaailmale omase kooskõla ehk koherentsi. Kuid kvantarvuti idee tasub kas või mõttemaailmas edendamist, sest kui õnnestuks kvantarvuti valmis ehitada, siis avaneks võimalus saada vastuseid mõeldamatult kiiremini ja mõeldamatult raskematele küsimustele kui seniste superarvutitega. Arvutid, millega me siiamaani töötame, ehkki nende sees olevad elektroonikajupid kasutavad ka kvantefekte, maailma kopeerida ei saa, kui need just maailma enda suurused ei ole.
Sellepärast on loogiline, et teadlaste eesmärk seisneb selles, et suunata elektroonikatööstus kvantelektroonika maailma, kuhu ei ole pääsenud veel ükski digitaalne seadeldis. Nanomõõtmetes seadmed esitavad universumi kvantolemust ning neid saab kasutada näiteks teadete kvantkodeerimiseks ja väga keeruliste ülesannete kvantarvutuseks. Kvantfüüsikud ja materjaliteadlased töötavad, teades, et nanomaailma rikkus muudab makromaailma.
Minnes ehitatavate seadmetega üha tillemaks, hakkavad nii elektronid kui ka footonid käituma meie jaoks üsna ennustamatult ning sellest tasemest allapoole võib ju arvata, et mingeid masinaid ehitada ei saa, kui kavalad need ka poleks. Kuid just siin ongi leitud vähemasti teoreetiline väljapääs, millele juhtis 1959. aastal tähelepanu kuulus ameerika füüsik Richard Feynman, kes paistis silma oma lennukate ideede poolest. „Seal all on veel ruumi küll,” ütles ta, pidades silmas, et teatud liiki osakesi nagu elektrone iseloomustab selline suurus nagu spinn.
Feynman oli enam kui füüsik – kui teised geniaalsed füüsikud olid pärit tulevikust („oma ajast ees”, nagu öeldakse), siis Feynman oli pärit teiselt planeedilt, nagu väitis nobelist Hans Bethe.

Kubitite paralleelsed maailmad
Elektroni spinni võib seletada pöördliikumise analoogina, umbes nii, nagu Maa pöörlemist oma telje ümber. Kuid kui elektron püsib paigal, siis peetakse seda punktiks, ja punktile on raske omistada pöörlemist. Nii et analoog on üsna üldine. Kui aga elektron liigub, siis põhjustab see magnetvälja, mis on reaalne ja mõõdetav. Elektron võib pöörelda vaid kahes suunas, nõnda et selle spinn on „üles” või „alla”. Seda elektroni omadust saab põhimõtteliselt kasutada loogilistes elementides mälu kodeerimiseks, samuti nagu ühtede ja nullide rida.
Kvantmaailm on ehitatud nõnda, et elektron on tegelikult segaolekus, see tähendab et mingi tõenäosusega olekus „üles” ja mingi tõenäosusega samal ajal ka „alla” – ehk kui soovite, siis olekus „üks” ja „null” ühel ja samal ajal. Sellist seisundit nimetatakse mitte bitiks, vaid kvantbitiks ehk kubitiks (ingl qubit) ja kvantarvutis ongi esitatud sellised osakeste põimunud olekud. Kubiti idee esitas 1992. aastal esmakordselt Benjamin Schumacher: kubiteid saab kasutada kvantinformatsiooni mõõtmiseks.
Inglise matemaatik Alan Turing arvutas 1936. aastal piiri, milles teatud laadi arvutid suudavad arvutada. Kuid iga universaalne Turingi masin, mille ta oma mõttelise eksperimendi tarbeks lõi, töötab rangelt klassikalise mehaanika seaduste kohaselt. See ei suuda imiteerida reaalsust, kuna maailm on kvantmaailm. Maailma suudab imiteerida vaid kvantseadustel töötav arvuti, oli Feynmani väide. Selline masin loob multivõimaluste maailma. Tol ajal oli see vaid mõtteline eksperiment, mis aitas mõista maailma.
1985. aastal tõestas Oxfordi ülikooli teadlane David Deutsch, et osavalt valmistatud kvantarvuti suudab arvutada hetkega kogu universumi. Ta rehkendas, et kvantaruti suudaks teha miljoneid korda miljoneid tehteid ajaga, mille jooksul tollane kiireim arvuti Tandy 100 suutis hakkama saada vaid ühe tehtega. See tähendab et kvantarvutil saab mudeldada mis tahes füüsikalist protsessi. Sest kvantarvuti testib imekähku kõik kubitite võimalikud kombinatsioonid. Nii et kui kvantarvutil on vaid tuhat kubitit, siis testib see 2 astmes 1000 ehk umbes 10 astmes üheksa ehk siis miljard võimalikku lahendust korraga. Seepärast saabki kvantarvutil lahendada vaid kindlat tüüpi ülesannete rühmi. Väga vabalt analoogi tuues võib öelda, et kvantarvuti lahendab põhimõtteliselt väga erinevaid ülesandeid, aga jätab enamjaolt lahenduse enda teada, sest me ei suuda seda kuidagi hiigelsuure võimaluste kuhja seest üles leida. Vastusenõel on tarbetute vastuste heinakuhjas, matemaatikute asi on see sealt üles leida.

Saladuste lahtimuukimine
Tavamaailma ja kvantmaailma kokkupuutumisel, mis paratamatult toimub näiteks vastuse välja lugemisel, tekib dekoherents, see tähendab, lõhutakse kvantseisundite kooskõlalisus ehk koherentsus, nende kubitite kahetine pale muugitakse lahti ja nii saadaksegi nullide ja ühtede rida. Vaid siis, kui kvantarvuti on häälestatud õigesti, saadakse oma probleemile lahendus. Siin peitubki kvantarvuti nõrkus – lisaks sellele, et see ei salli ühenduse võtmist makrokeskkonnaga, mis hävitab kogu info, on kvantarvutamiseks vaja probleemi täpset püstitamist, sealhulgas ka võimalike vastuste täpset analüüsi.
1994. aasta märtsis avaldas Ameerika matemaatik Peter Shor artikli, milles ta pakkus välja algoritmi arvude lahutamiseks algarvulisteks korrutatavateks ehk faktoriseerimiseks. See arvutus on salastamise lahtimuukimise võti. Teate saamisel saadetakse adressaadile üks arv, mis tuleb avaldada algarvude korrutisena. Kui arv on suur, siis selle lahtimuukimine praeguste arvutitega juhusliku katsetamise teel on väga vaevaline ja pikk tegevus, praktiliselt võimatu. Selline algarvude leidmine on omakorda tihedalt seotud ka salakoodide lahtimuukimisega. Mistõttu leiab kvantarvutite uurimine ja ehitamine toetust nii mõnegi riigi sõjalisest eelarvest.
Kuid tavaarvutiga paralleelselt töötava kvantarvuti jaoks ei ole siin mingit probleemi. Aga kui selle pakutud miljardite vastuste seast valida üks vastus umbropsu, hävitab see tegevus kvantmehaanika seaduse kohaselt kogu muu informatsiooni. Selles ongi uba. Kvantinformatsioon on purunev, õrn, ja et kvantarvuti töötaks, peavad tema osised olema ümbruskonnast isoleeritud.
Meie arvuti töötab nullide ja ühtede poolt esitatud arvudega, kuid null saadakse mingi loogilise värava väljundist, mille pinge võib olla null või sellest veidi suuremgi – ikka loetakse null. Sama lugu on ühega – pinge võib mingi suuruse ümber kõikuda. Kvantarvutis saame sellise nulli ja ühe asemel nullide ja ühtede tohutult suure kogumi, millest iga võimalus realiseerub kindla tõenäosusega.
Niisiis, kvantarvutiga on võimalik väga kiiresti faktoriseerida väga suuri arve. Ehk lahutada neid arve algarvudeks, mille korrutis selle suure arvu annab. Praegu pole digitaalarvutil võimalik seda teha suuremate kui 512bitiste arvude puhul. Igatahes teatas Google 2013. aastal 512kubitilise kvantarvuti D-Wawe valmistamisest. Kuid 2014. aasta seisuga pole selle arvuti töövõimet suudetud tõestada, kuid seda pole ka välistatud.

Arvutid kindlaks otstarbeks
Praeguseks on kindlalt realiseeritud mõneteistkümnebitised kvantarvutid, mis pole praktiliseks otstarbeks eriti kasulikud. Kui tavaarvuteid on võimalik kombineerida, sest mälubitte ja loogilisi elemente saab kombineerida, siis näiteks kahte kümnebitist kvantarvutit pole võimalik omavahel liita, nii et saaksime kahekümnebitise. Sest kvantarvuti kvantbitid peavad olema omavahel põimunud. Kvantarvutite maailmas ei anna üks pluss üks välja kaks. Vaid jääb ikka üheks ja üheks.
Kvantarvuti arvutusvõimsus kasvab küll iga lisatud bitiga eksponentsiaalselt, kuid ka selle valmistamine muutub eksponentsiaalselt raskemaks. See tähendab et kvantarvuti võimsus kasvab iga bitiga vaid lineaarselt, sest inseneriasjandus ei jõua lihtsalt nii kiiresti järele.
See on ka põhjus, miks näiteks tunnustatud kvantmehaanika asjatundja, Viini ülikooli füüsik Anton Zeilinger vastab küsimusele, et millal saab kvantarvutit poest osta, vaid muheda naeratuse ja õlakehitusega. Siiski on Zeilingeri Innsbruckis töötavad kolleegid ehitanud kvantarvuti ühelainsal kaltsiumi aatomil, millel võib põhimõtteliselt kodeerida tosinaid kubitte.
Kvantpõimumise mõiste juurutas Austria nobelist Erwin Schrödinger 1935. aastal ja see kirjeldab kvantmehaanilist nähtust, mida osatakse küll eksperimentaalselt demonstreerida, ent millest pole täielikult aru saadud. Põimunud osakesed ei ole eraldiolevad kindla olekuga osakesed, vaid pigem osakeste süsteem. Selline süsteem võib oskuslikul kasutamisel töötada palju kiiremini praegustest arvutitest.
Zeilinger on oma kolleegidega 2012. aastal eksperimentaalselt tõestanud korduvalt footonite omavahelise põimumise ja olekute teleportatsiooni, kui kaks osakest olid teineteisest 144 kilomeetri kaugusel, kahel Kanaari saarel. Mis tähendab, et kvantinformatsiooni on tõepoolest võimalik edasi kanda silmapilkselt. Innsbrucki ülikooli kvantfüüsikud on püstitanud järjekordse maailmarekordi. Nad saavutasid 14 kvantbiti ehk kubiti kontrollitud põimumise, mis tähendab, et nad teostasid suurima kvantregistri ning astusid sammu edasi kvantarvuti loomisel.
2005. aastal õnnestus Rainer Blatti juhitaval Austria teadlaste rühmal kontrollida 8 osakese põimumist, mis esindab üht kvantbaiti. 2011. aastal sulgesid nad 14 kaltsiumi aatomit ioonlõksu ning mõjutasid neid laservalgusega. Iga aatomi siseolek esitas ühte kubitit ja nõnda loodi 14 kubiti suurune kvantregister. See register esindab justkui kvantarvuti tuuma. Selgus, et süsteemi lagunemiskiirus on võrdeline kubitite arvu ruuduga. Innsbrucki teadlased on püüdnud ioonlõksu kuni 64 osakest, ent nii suurt arvutit on peaaegu võimatu käigus hoida.
Üksikuid osakesi on keskkonnast raske isoleerida ja nõnda kaotavad nad oma kvantomadused niipea, kui vastastikmõjustuvad välismaailmaga. Nõnda ennustab kvantfüüsika, kuid seda ei ole võimalik jälgida otse, vaid kaudsete eksperimentide läbi. Prantsuse füüsik Serge Haroche ja ameeriklane David J. Wineland suutsid oma laborites mõõta ja kontrollida väga nõrku kvantolekuid, mida peeti varem võimatuks otseselt jälgida. Wineland lõksustas elektriliselt laetud aatomeid ehk ioone, kontrollides ja mõõtes neid footonitega. Haroche tegi vastupidist: ta kontrollis ja mõõtis lõksustatud footoneid, saates läbi lõksu aatomeid. Nende meetodid kuuluvad kvantoptikasse ning on esimesed sammud superkiirete kvantarvutite ehitamisel. Ka on nende tööde põhjal ehitatud ülitäpseid kelli, mis tulevikus võivad saada uue ajastandardi aluseks, olles nüüdsetest üle saja korra täpsemad.
2014. aasta juunis Kopenhaagenis toimunud Euroopa avatud teadusfoorumil kõnelnud Collège de France’i professor Serge Haroche, 2012. aasta nobelist, oli küll kindel, et nüüd võib kvantmaailma näha laboris, kuid kvantarvutiteni on veel kui mitte lõputu, siis vähemalt mõõtmatu maa minna. Ometi oli just tema üks neid, kes tegi olulise sammu kvantarvutite ehitamise poole, leiutades viisi, kuidas saab jälgida üksikuid kvantosakesi, neid hävitamata. Mis ei takistanud teadlastel nimetada üks ESOFi (Euroscience Open Forum) istungitest kvantmehaanika uue ajastu alguseks ja arutleda selle üle, kuidas kvantarvuteid saab kenasti ja turvaliselt kasutada krüptograafias, sõnumite salastamisel. Kes tegi seda lihtsamalt, kes keerulisemalt, kuid kõik teadlased kõnelesid, justkui oleksid kvantarvutid olemas. Aga neid ju ei ole, kui paaril footonil või mõnel molekulil ekstralühiajaliselt töötavad välja arvata.
2014. aasta augustis Stockholmis põhjamaade teoreetilise füüsika keskuses NORDITA toimunud kvantteooria seminaril kõnelnud Uppsala ülikooli kvantfüüsik Marie Ericsson tõi näiteid, mis suunas töötavad teoreetikud, et kvantarvutid reaalseks saaksid. Ta väitis, et õige vastuse tõenäosuse suurendamiseks saab kasutada kvantinterferentsi – kasutada ära see, et kvantmaailmas ollakse kord osake, kord laine, ja kui panna paralleelsed vastused omavahel liituma, siis saab suurendada õige vastuse leidmise tõenäosust. Muidugi saab sama ülesannet rehkendada mitu korda.
Reaalselt on kvantarvutit lisaks eespoolkirjeldatud ioonlõksudele ehitatud ka tuumaresonantsi spektromeetril, sellelsamal seadmel, mille vahele te pistate oma pea või põlve, et magnetresonantskuvamisega näha, mis seal sees on. Tuumamagnetresonants (TMR) kasutab oma olemuses aatomite elektronide spinne, nende resonantsi magnetväljadega. Valmis on ehitatud kuni 12kubitiline TMR-kvantarvuti. Kuid see on vaid katsetajate mänguriist, praktilist edasiarendamist ei leita.
Inglise teravmeelne füüsik, elektri uurimise pioneer Michael Faraday ütles neile poliitikutele, kes seadsid kahtluse alla elektri rakenduse, et täpsemalt ta ei tea, kuid küllap varsti hakkavad nad seda maksustama (st poliitikud elektrit). Nagu näeme, on see juba ammu juhtunud. Ehk näeme siis kvantarvutitki, mis ei tööta ainult tippteadlase laboris mürakindlal laual.

Sarnased artiklid