Kvantkiirendiga superarvutid on tulnud, et jääda

Skeptikute arvates kulub veel vähemalt 10 aastat, enne kui luuakse kasutuskõlblikud kvantarvutid. Tegelikult on kvantrevolutsioon juba alanud: loodud on esimesed hübriidsüsteemid, mis sobitavad kvantarvutuse klassikalise andmetöötlusega. Ühe hübriidi tekkesse on andnud suure panuse ka Tartu ülikooli spetsialistid.

Inimkond asus kvantmaailma saladusi uurima 20. sajandi hakul. Esimesed avastused selles valdkonnas aitasid leiutada transistori, laseri ja elektronmikroskoobi. Praegusajalgi rakendatakse kvantnähtusi uute tehnoloogiate väljatöötamisel. Eriti palju põnevust pakuvad kvantarvutid, kus teavet kirjeldatakse ja analüüsitakse klassikaliste bittide asemel kvantbittide abil. Kvantbittide iseärasuste tõttu suudavad kvantarvutid kiiresti lahendada mõnda liiki probleeme, millele tavaarvuti kulutaks miljardeid aastaid.

Kahe aasta eest sai alguse Põhjamaade e-taristute koostööalgatuse (NeIC) projekt NordIQuEst, mille eesmärk on luua regiooni vajadustele sobiv kvantarvutusplatvorm. Nüüdseks on valminud hübriidsüsteem, kus Euroopa kiireim superarvuti LUMI on ühendatud kvantarvutitega Helmi ja QAL9000, mis paiknevad vastavalt Soomes ja Rootsis. Soome on esimene riik Euroopas, kus kvantarvuti ja superarvuti integratsioon on õnnestunud. Ühtlasi on LUMI praegu maailma võimsaim kvantkiirendiga superarvuti. Helmi ja QAL9000 töötavad viiekvantbitise protsessoriga, kuid peagi asendatakse need 20 kvantbitist koosnevate protsessoritega. Iga lisanduv kvantbitt suurendab kvantarvuti võimsust kaks korda.

Kvantarvutitele ligipääsu tagamisel etendab tähtsat osa Tartu ülikooli teadusarvutuste keskuse spetsialistide kaasabil loodud Puhuri-teenus, mis võimaldab kasutajaid autentida ja arvutusressurssi hallata. Seega on Puhuri otsekui arvutustaristu nähtamatu väravavaht ja raamatupidaja. Peagi saavad ka Eesti teadlased ja ettevõtjad kvantarvutustega eksperimenteerima hakata. Selleks tuleb pöörduda Eesti teadusarvutuste taristu (ETAIS) poole.

Hübriidsüsteeme sundis looma asjaolu, et kvantarvuteid on iseseisvate süsteemidena keeruline kasutada. Samal ajal kui kvantarvuti lahendab raskeid ülesandeid, hoolitsevad klassikalised arvutid kõige muu eest: hangivad kasutajaandmed ja suhtlevad serveritega ning lõpuks kuvavad arvutustulemused. Pealegi on kvantbitid väga tundlikud lähikeskkonna suhtes. Vähimgi välismõju, näiteks temperatuuri muutus või kosmiline kiirgus, võib neid mõjutada ja arvutuse ebausaldusväärseks muuta. Hübriidsüsteemis saab klassikalist arvutit kasutada selleks, et tuvastada ja parandada kvantarvutuse vigu. Täiesti veakindel kvantarvuti vajab sadadest tuhandetest kvantbittidest koosnevat protsessorit, mida praegu veel ehitada ei osata.

Hübriidsüsteemid lasevad nii kvantarvutil kui ka klassikalisel arvutil teha seda, millega nad kõige paremini hakkama saavad. Mõlemad lahendavad kindlaid ülesandeid väga edukalt, kuid teistega jäävad hätta. Seetõttu võimaldavad hübriidsüsteemid lahendada probleeme, mida kumbki tehnoloogia eraldi lahendada ei suudaks. Tähtis on teha kindlaks, millist osa arvutusülesandest on mõistlik lahendada klassikalisel moel ja millise osa puhul tasub rakendada kvantarvutust. Üldjuhul lahendab superarvuti enamiku probleemist ja kvantarvutile jäävad need ülesandekillud, mille lahendamisele kuluks superarvutil sajandeid.

LUMI ja kvantarvutite edukas ühendamine sillutab teed tulevikku. Kvanttehnoloogia areneb kiiresti, järgneva viie kuni kümne aasta jooksul võivad kvantkiirendid põhjustada teadus- ja arendustöös enneolematu hüppe. Praegu kogutakse andmeid nii kiiresti, et meil pole piisavalt võimekust neid töödelda ja analüüsida. Ka teadlased saavad tegeleda üksnes väikeste probleemidega, kuna neil ei ole piisavat arvutusvõimsust. Kvantarvutite tulek muudab seda olukorda radikaalselt.

Mullu oktoobris pani Soome riiklik tehnikauuringute keskus tööle riigi teise, 20-kvantbitise kvantarvuti. LUMI-ga pole see veel ühendatud. Foto: VTT, VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS

Molekulides tantsisklevate elektronide liikumist on klassikalise superarvutiga vaevaline mudeldada, ent kvantarvutile on see ülesanne ülimalt paslik. Seega muudavad kvantarvutid uute materjalide, akude ja ravimite väljatöötamise märkimisväärselt kiiremaks ja odavamaks. Pealegi on kvantalgoritmid väga võimekad lahendama mitmesuguseid optimeerimisprobleeme. Praeguseks ongi hübriidsüsteeme juba kasutatud näiteks selleks, et optimeerida krediitkaartide lojaalsusprogramme, telereklaamide edastust, tarneahelaid ja finantsmudeleid. Samuti võiks kvantarvutitest saada kasu olukordades, kus arvutuste kiirus ja täpsus on kriitilised, kuid vastuse leidmise aeg piiratud. Näiteks reaalajas tehtav satelliidiandmete analüüs, et ennustada orkaani kulgu või tsunami levikut.

Peagi saavad ka Eesti teadlased ja ettevõtjad kvantarvutustega eksperimenteerima hakata. Selleks tuleb pöörduda Eesti teadusarvutuste taristu (ETAIS) poole.

Paarikümnel riigil on juba olemas kvanttehnoloogia arendamise strateegia. Jõukad valitsused kulutavad kvantuuringutele hiiglaslikke summasid. Riigid, kus kvantrevolutsioon esimesena toimub, hakkavad kiiresti looma uut väärtust ning saavutavad teiste riikide ees konkurentsieelise. Ka Euroopa vajab edukuse ja majandusliku sõltumatuse huvides rohkem kvantkiirendiga hübriidsüsteeme. Samas suureneb nõudlus kõrgetasemeliste kvanttehnoloogiaspetsialistide järele. Ettevõtjatel on praegu paras aeg hakata uurima, kuidas tärkava tehnoloogia abil oma tooteid ja teenuseid arendada.

NordIQuEst aitab Põhjamaid ja Eestit kvantajastuks ette valmistada. Projekti käigus loodud platvorm võimaldab arendada hübriidalgoritme, mis kasutavad ära nii kvantarvutuse kui ka klassikalise andmetöötluse eeliseid. See omakorda aitab paremini mõista, mismoodi kvantarvutuse potentsiaali igapäevaelus edukamalt rakendada. Ühtlasi on NordIQuEst hea näide Euroopa riikide eduka koostöö kohta.

Ülar Allas (1977) on molekulaarbioloog, Tartu ülikooli arvutiteaduse instituudi teadusarvutuskeskuse konsultant. Doktoritöös uurinud antibiootikumide toimemehhanisme ja antibiootikumiresistentsust. Teinud koostööd 2017. aasta Nobeli keemiaauhinna laureaadi Joachim Frankiga. Tuntud ka kui DJ Smaddy.

Horisont Foto: Horisont / MTÜ Loodusajakiri

Intervjuu ilmus ajakirja Horisont veebruar-märts numbris.