/nginx/o/2022/12/07/15009673t1h5517.jpg)
/nginx/o/2025/02/13/16653289t1hd4a9.jpg)
- Praktiliste ülesannete lahendamisel jäävad kvantarvutid veel alla tavalistele arvutitele.
- Kvantarvutid on skaleeritavad.
- Kvantarvutite ehitamine vajab alusuuringuid.
Paljud riigid, ettevõtted ja nende konsortsiumid suunavad ressursse kvantarvutite arendamisse ja ehitamisse. Mis on selle eesmärk ja kuhu on jõutud, küsib akadeemik, Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi juhtivteadur Toomas Rõõm.
Kvantarvuteid ehitatakse selleks, et lahendada ülesandeid, mis tavaarvutitel võtaks liiga kaua aega – näiteks salasõnade lahtimuukimiseks või uute ravimite ja materjalide ennustamiseks. Siin on üks suur «aga» – praktilise väärtusega ülesannete lahendamisel jääb kvantarvuti täna veel tavaarvutile alla, sest nad on väikesed ja kipuvad tegema palju vigu.
Üks kvantarvuti praktilistest omadustest on skaleeritavus. Mis tähendab seda, et kui tööle on saadud näiteks 1000 kvantbitiga arvuti, ei ole põhimõttelist takistust suurendada selle mahtu veel tuhandeid kordi. Suurim kvantarvuti on IBM Condor, milles on 1121 kvantbitti. See on tühine number võrreldes tavalise arvutikiibiga, kus on üle 10 miljardi transistori. Kiibid tehakse ränist, kuhu lisatakse kihiti teisi elemente ja söövitatakse struktuurid, mis täna ulatuvad vaid 5–10 nanomeetrini. Viimase 50 aastaga on kiipide areng olnud tohutu: kui 1975. aastal oli ühes kiibis 10 000 transistori, siis nüüd on neid miljon korda rohkem.
Kas on võimalik ehitada kvantarvutit, kasutades ülima täiuslikkuseni lihvitud ränikiipide tehnoloogiat? Tänavu veebruaris avaldas ajakiri Nature sel teemal nädalase vahega kaks artiklit – autorite rühmadelt Microsoft Azure Quantum ja PsiQuantum.
PsiQuantum – kelle loosung on «Ehitades maailma esimest kasulikku kvantarvutit» – kasutab arvutamiseks valguskvante ehk footoneid. Footonkvantarvutid on paljulubavad, sest neid on lihtsam suuremaks ehitada. PsiQuantumi läbimurre on selles, et nad suutsid panna ühele kiibile nii footoni allika kui ka detektori, kasutades tavakiipide tehnoloogiat. Footonid ei tunne soojust, mis tekitab arvutusvigu. PsiQuantumi arvuti töötab kahe kelvini juures (-271 celsiust), mis on kvantarvutite maailmas üsna «soe», sest paljud teised vajavad oluliselt külmemat keskkonda. Väga madala temperatuuri hoidmine on aga keeruline ja kallis. Mais sõlmisid nad jahutusseadme valmistamiseks lepingu Lindega, et tagada Brisbane’i planeeritava «kasuliku» footonkvantarvuti töö.
Kvantarvuti ehitamine ei ole lihtsalt insener-tehniliste probleemide lahendamine, vaid vajab ka alusuuringuid.
Juba 2017. aastal demonstreeris Microsofti rahastatud uurimislabor Delfti Tehnoloogia Instituudis, et teatud metallist nanotraati saab kasutada kvantarvuti bitina. Selle valmistamiseks sobib olemasolev kiibitehnoloogia. Seega on Microsofti kvantarvuti skaleeritav. Kui tavaarvutis liiguvad elektronid ja footonkvantarvutis valgusosakesed, siis Microsoft kasutab elektronidega sarnaseid Majorana osakesi, mis tekivad pool- ja ülijuhi kokkupuutepinnal. Panused on just neil osakestel, sest need peaksid tagama vigadeta kvantoperatisoonid. Tegelikult on Microsoft aga keerulises olukorras. Kaugel sellest, et nende kvantkiip oleks üldse mõne arvutustehte teinud – on ka teadlasi, kes ei usu, et Microsoftil on õnnestunud Majorana osakesi tekitada. Microsoft Azure Quantum püüab Nature artiklis tõestada, et neil siiski on olemas üks element, millest panna kokku skaleeritav Majorana osakestega kvantarvuti. Eks aeg näitab, kas panustamine neile osakestele oli õige otsus.
Kvantarvuti ehitamine ei ole lihtsalt insener-tehniliste probleemide lahendamine, vaid vajab ka alusuuringuid. Seda tõestavad teated arenguhüpetest teaduse tippajakirjades. Eestis küll kvantarvutit ei ehitata, aga näiteks Keemilise ja Biloogilise Füüsika Instituudis uuritakse, kuidas õhukestes pool- ja ülijuhi kihtides tekivad uued kvantnähtused.
Kvantarvutamist ei tohi segi ajada kvantkrüptograafiaga. Viimane tagab andmete vahetuse, mida ei saa pealt kuulata – näiteks kahe arvuti või panga ja sinna üle interneti siseneva kliendi vahel. Arvutamisel aga lahendatakse mingit ülesannet, soovitavalt kasulikku. Teaduses uuritakse kvantsüsteeme, mis on aluseks ravimitööstusele, keemiale, materjaliteadusele ja osakestefüüsikale.
Tõenäoliselt vajavad kvantarvutit esimesena teadlased, sest sel on eelis tavaarvuti ees just kvantprobleemide lahendamisel. Millise kasuliku ülesande lahendamisel kvantarvuti annab eelise klassikalise arvuti ees, sõltub kvantarvutite arengust. Praegused kvantarvutid on mitte ainult väikesed, vaid teevad ka palju vigu. Igatahes on Google Quantum AI ajakirja Nature 2024. aasta detsembrinumbris teatanud, et ka vigade parandus on skaleeritav. Meie teadlaste ülesanne on leida kasulikud kvantarvuti võimetele vastavad ülesanded ja lahendada neid väljaspool Eestit asuvatel kvantarvutitel. Näiteks võib see toimuda Euroopa Tuumauuringute Organisatsiooni CERN või Soomes paikneva arvutuskeskuse LUMI kaudu.