Peeter Saari: järgmise digirevolutsiooni teeb kvant-üleolek

Akadeemik Peeter Saari Foto: Erakogu

Kas kvantarvuti asendab varsti meie töölaudadel tavaarvuti, nagu teadusajakirja Nature aasta esimese numbri uudislugu justkui lubab? Akadeemik Peeter Saari tutvustab samast loost lähtudes kvant-infotehnoloogia arenguid.

Kui Wall Streeti pangad möödunud sajandi lõpus füüsikateoreetikuid vallandama hakkasid, oli panganduskriis juba idanemas. Enne kriisi kasutati finantsmaailmas massiliselt mitmesuguseid tuletisinstrumente, sest analüütikuid vaimustas võimalus teoreetilise füüsika võrrandite abil kasumlikkust ennustada. Nii võeti kõrgele palgale hulganisti neid võrrandeid lahendama õppinud ülikoolilõpetajaid. Paraku kustus see vaimustus peagi, sest turustiihiat ei juhi mitte niivõrd võrrandid, vaid pigem ikkagi inimlikud emotsioonid, ehk nagu ütles alanud aasta esimeses Eesti Ekspressis meie rahandusministeeriumi fiskaalpoliitika osakonna juht Sven Kirsipuu: «Käitumusliku mõju hindamine on kõige keerulisem asi üldse…»

Kuid ega Wall Streetilt kinga saanud teoreetilise füüsika geeniusehakatised tööta jäänud. Just 1980. aastatel jõuti järelduseni, et kvantfüüsika seaduste alusel töötav arvuti võiks lahendada ülesandeid, millega ükskõik kui võimas tavaarvuti hakkama ei saa. See uus kvantmehaanika ja infotehnoloogia sünteesis sündinud teadusala vajas hulganisti helgeid päid. Avanesid ka riiklikud – sealhulgas eriteenistuste – rahakraanid, sest teoreetiliselt oli 1990ndail tõestatud, et kvantarvuti murrab mängeldes lahti kõige keerulisemad seni välja mõeldud salakoodid. Näiteks needki, mille vahendusel me interneti kaudu oma pangaarvega suhtleme.

Teine näide valdkondadest, kus kvantarvuti annaks ülisuurt efekti, on andmetöötlus. Sorteerimata andmebaasist päringuid tehes toimib tavaarvuti täpselt nagu inimene raamatust mõnda sõna otsides (mida pole raamatu taga registris-indeksis) – lappab lehekülgi, kuni leiab otsitu. Keskeltläbi tuleb otsitava leidmiseks läbi lapata pool raamatut, ehk kui selles on lehekülgi N, siis otsingu aeg on võrdeline suurusega N/2. E-raamatu puhul kulub tänapäevasel tahvelarvutilgi selleks küll vaid sekundeid, kuid kui N kasvab miljonite-triljonite kanti nagu nn suurandmete puhul, jäävad ka superarvutid selliseks otsinguks liiga aeglaseks. Seevastu kvantarvutil jooksval nn Groveri algoritmil kuluks samaks ülesandeks aega võrdeliselt vaid ruutjuurega N-ist, mis annaks suurte N-ide puhul väga suure ajavõidu.

Puudulik ja ajast maha jääv haridus tekitab kiirelt arenevas maailmas inimesel alaväärsuskompleksi, mille allasurumiseks alateadvusse hakatakse halvustama ja vältima seda, millest aru ei saada.

Kvantarvutilt loodetava ülivõimsuse aluseks on nn kvant-üleolek (quantum supremacy), mis põhineb asjaolul, et kui tavaarvutis bitti kandev element saab olla ühes või teises kahest voolu-, pinge-, magneetumuse- vms seisundist, siis kvantarvuti element – nn kvantbitt – võib olla korraga mõlemas seisundis «1» või «0». Sellest tuleneb kvantarvuti võime teostada tehteid tohutu suure paralleelsuse astmega. Näiteks üksik aatom võib olla ergastatud või põhiseisundis, aga kvantmehaanika lubab tal «terve mõistuse» vastaselt olla ka korraga mõlemas. Praegu üheks perspektiivseimaks kvantbiti füüsikaliseks teostuseks peetaksegi kõrgvaakuumi isoleeritud ja laserivalgusega manipuleeritavat aatomit või iooni.

Lisaks suurriikide ülikoolide laboreile on kvantarvuti arendamisse lülitunud IT-maailma gigandid nagu Microsoft ja Google. Kuid seni enim kvantbitte – kuid siiski kõigest 20 – sisaldav kvantarvuti prototüüp on laboratoorselt testitud väikeriigis Austrias. Suurim tehniline probleem kvantarvuti valmisehitamise ees on kvantbiti õrnus. Vähimgi mõjutus, näiteks kas või kõike läbistav kosmiline kiirgus, rikub tema kvantoleku – just selle, kus ta on korraga seisundis «1» ja «0». Mida rohkem kvantbitte, seda kiirem-tõenäosem on nende ühise kvantseisundi lagunemine.

Kas kvantarvuti asendab varsti meie töölaudadel tavaarvuti, nagu Nature' uudislugu justkui lubab?

Kindlasti mitte. Esiteks, tekstitöötluseks ning tavapäraseks kontoritööks on juba praegustel arvutitel võimsust ja oskusi palju rohkem, kui neid tavaliselt üldse ära kasutatakse. Teiseks, praktilist väärtust omav kvantarvuti, kui see luuakse, saab olema vähemalt mitmekümnekilone masinakompleks, roostevabast terasest vaakumkambrite ja -pumpadega ja/või ülimadalaid temperatuure tagavate külmutusseadmete ning muu sellisega. Nii et kvantarvuteid hakkaksid pruukima eelkõige riiklikud (sala)kontorid ning suurfirmad – näiteks suurandmete (big data) töötlemiseks või uute ravimite kvantkeemiliseks disainimiseks – ja muidugi teaduslaborid. Samas on kvantarvuti loomist juba aastaid nähtud 20-aastasel silmapiiril, mis aina edasi nihkub.

Mida aga Eestis sel alal tehakse?

Teadaolevalt meil keegi kvantarvutit ei ehita. Siiski uuritakse TÜ füüsikainstituudis materjale, mis võivad osutuda perspektiivseiks kvantinfotehnoloogias. Samuti saab TÜs juba alates 1998. aastast õppida kvantarvutite ja kvantkrüptograafia aluseid. Allakirjutanu hakkas sellise nimega kursust lugema vältimaks olukorda, et XXI sajandil ülikooli lõpetavad füüsikud-informaatikud pole valmis kaasa minema kvant-üleolekust tuleneva võimaliku revolutsiooniga infotehnoloogias. Siia sobiva kõrvalepõikena: puudulik ja ajast maha jääv haridus tekitab kiirelt arenevas maailmas inimesel alaväärsuskompleksi, mille allasurumiseks alateadvusse hakatakse halvustama ja vältima seda, millest aru ei saada. Tagajärjeks teaduse- ja tehnoloogiavaenulikkus ning ärapöördumine libateaduste ja müstika usku… Nüüd, alanud sajandi teisel kümnendil õpetatakse kvant-infotehnoloogiat TÜs mitte ainult füüsikainstituudis, vaid ka arvutiteaduse instituudis ning Tallinna Tehnikaülikoolis. Sellega seoses ei saa mitte meenutamata jätta, et kui sajandivahetusel käis välismaiste õppejõudude rühm atesteerimas meie õppekavu, pidas rühma informaatikaekspert kvantarvuti kursust tarbetuks ja üleliigseks…

Kas kvantarvuti loomisega muutub krüpteerimine mõttetuks ning privaatandmed kaitsetuks?

Ei, sest tehnoloogia arenguga üldse kipub õnneks olema nii, et kus häda kõige suurem, seal abi kõige lähem, ja peltsebuli annab peltsebuli endaga välja ajada. Kvantmehaanika on küll sünnitamas peltsebuli, kes salakoodid murrab, kuid samas on ta andnud pealtkuulamiskindla kvantkrüptograafilise kommunikatsioonimeetodi. Vastavat aparatuuri saab juba mitu aastat mitmelt tootjalt osta ning mõned pangadki on salateadete edastamiseks sellised optilisel kiul valguskvant-sideliinid üles seadnud.

Loos kasutatud allikad: 

http://www.nature.com/news/quantum-computers-ready-to-leap-out-of-the-lab-in-2017-1.21239

http://www.nature.com/news/google-moves-closer-to-a-universal-quantum-computer-1.20032

http://www.idquantique.com/quantum-safe-crypto/

P. Saari, «Infotehnoloogia versus füüsika XXI sajandil», Arvutimaailm, nr 9, 2004