JOHANNES HEINSOO
Kvantarvutid töötavad ja on saavutanud kvantüleoleku. See tähendab, et kvantarvutitel on tehtud arvutusi, mida kõige võimsamad tavaarvutid ei suuda samasuguse täpsuse ja arvutusajaga teha. Samas on siiski võimalik kontrollida leitud lahenduste õigsust. Seni on sel eesmärgil valitud niisugused matemaatilised ülesanded, mille lahenduse leidmise algoritm sobib ideaalselt praegustele kvantarvutitele ja kasutab maksimaalselt nende võimsust. Ometi pole tehtud arvutustest tänini olnud muud kasu kui kvantarvuti võimete demonstratsioon – kvantkasu pole veel saavutatud.
Matemaatilisi probleeme liigitatakse muu hulgas nende lahenduse leidmise keerukuse järgi. Näiteks selleks et leida sortimata nimekirjast mingi nimi, tuleb tavaarvutil halvimal juhul kõik nimed läbi vaadata. Säärase probleemi raskus on tavaarvuti jaoks võrdeline nimekirja pikkusega. Seevastu näiteks molekulide täpse kuju leidmise keerukus kasvab eksponentsiaalselt elektronide arvuga. Kuigi eeltoodud otsimisülesande keerukus on kvantarvuti jaoks võrdeline vaid nimekirja pikkuse ruutjuurega, on selle ülesande korral kvantarvuti eelis liiga väike, et üle kaaluda tavaarvuti mälu suurus, töösagedus ja madal hind. Seepärast on otstarbekas tavaarvutiga lahendada kõik probleemid, kus kvantalgoritmi keerukus ei ole tavaprogrammi keerukusest kõrge astmega polünoomi võrra väiksem.
Samas on teada mitu tähtsat ülesannet, mida kvantarvuti lahendab eksponentsiaalselt väiksema tehete arvuga. See tähendab, et isegi kui tavaarvutit edasi arendatakse, saab kvantarvutiga ühel päeval lahendada tavaarvutile praktiliselt võimatuid ülesandeid. Nende hulka kuuluvad arvutused keeruliste molekulide õige kuju või reaktsioonide täpse käigu kohta. Väikeste molekulide korral saab seda kvantarvutitega teha juba praegu.
Kvantkasu on saavutatud, kui kvantarvuti hakkab ülesandeid lahendama parimast tavaarvutist kiiremini, odavamalt või täpsemini. Olenevalt kvantarvutuste veamäärast, vigade tegemise tõenäosusest ühe tehte kohta, on vaja tuhandeid või miljoneid kvantmälu elemente ehk kvantbitte. Vajalik kvantoperatsioonide veamäär on hinnanguliselt vahemikus üks kümnest miljonist kuni üks sajast miljardist. Siis saab lahendada näiteks lämmastiku sidumise, vesiniku tootmise, päikesepaneelide efektiivsuse, kõrgtemperatuuriülijuhtide, akude ja superkondensaatoritega seotud kvantkeemia ja materjaliteaduse probleeme. Isegi väikestes tavaarvutites on miljoneid transistoreid ja kindlasti on põhimõtteliselt võimalik, et kvantarvutites oleks miljoneid kvantbitte.
Vead ja veaparandus
Kõik arvutid teevad arvutades mingi tõenäosusega vigu. Kvantarvutid on kvantbiti materjali puhtuse ja juhtelektroonika täpsuse suhtes eriti tundlikud. Kvanteduks vajaliku arvutusvõimsuse saavutamiseks peab vigade mõju leevendama ja vigu parandama.
Kvantarvutuse ajal võivad juhtuda mitmesugused vead. Põhimõttelist laadi vigade allikas on kvantbittidele mõjuvad juhuslikud muutused lähikeskkonnas, mis muudavad tundliku kvantarvuti tavaliseks arvutiks. Üks tehnilist laadi vea allikas on kvantarvutit juhtiva elektroonika lõplik täpsus. Digitaalses tavaarvutis saab väikseid kõrvalekaldeid, näiteks CD-plaadi mustri sügavuses või pooljuhtmälus mõõdetud pinges, ümardada enne nulliks või üheks sildistamist. Kvantarvutis on kõikvõimalikud kvantbiti väärtused üksteisele nii lähedal, et neid muutes peavad kvantbitte mõjutavad elektripinged olema väga täpsed, nagu oleks tegu analoogarvutiga. Teine tehniline probleem on vajalike tehnoloogiate madalam tehniline küpsusaste, mis teeb toote kalliks, tootmise viljakuse väikeseks ja süsteem tervikuna ei ole nii töökindel, kui vaja.
Vealeevendus vähendab vigade mõju, keskmistades tulemusi või ekstrapoleerides. Vealeevendus teeb arvutuse aeglasemaks, sest vajab suurt hulka kordusi. IBM, mis on arendanud seni suurimad kvantarvutid, on vealeevenduse metoodikat palju arendanud. Praegu avaldatakse selle kohta palju teadustöid. Selleks et saavutada kiire kvantedu, on vealeevendust vaja, aga arvatavasti on vaja ka kvantveaparandust.
Kvantveaparandus erineb tavaarvutite veaparandusest. Tavaarvuti veaparandusprotokollis hoitakse andmetest palju koopiaid, mõõdetakse ära bittide väärtused ja arvutatakse neist paarsus: paaritu või paaris. Kui bittide väärtused pole samad, siis on mõnega juhtunud viga. Kui koopiaid on piisavalt, siis paarsused osutavad vigade täpsetele asukohtadele registris ja vea saab parandada. Kvantinfo talletamiseks veaparanduse abil peab kvantbitid kopeerimise asemel hoopis põimima ja kvantbittide paarsust tuleb hinnata, mõõtmata kvantbittide väärtusi. Selle võimalikkus tundub ehk veidi üllatav, aga kujutage ette näiteks kahte värvilist kuuli kahes kotis. Lihtne on kontrollida, et mõlemas kotis on üks kuul, ilma et me teaksime, kummas kotis on kumb kuul. Mõõtes kvantbittide registris paarsusi, saab vead teada ja parandada isegi siis, kui registrisse salvestatud info ei ole teada.
Kvantveaparandusel on ka teine iseärasus: kvantbitil on kaks vabadusastet ja tuleb mõõta kahte tüüpi paarsust. Nõnda saab veaparandusega kvantregistris salvestada nii klassikalist informatsiooni kui ka võimalikke kvantnformatsiooni superpositsioonolekuid.
Paljude füüsiliste kvantbittide egistrisse salvestatud üksikut kvantinfo tükki nimetatakse loogiliseks kvantbitiks. Kvantveaparandus võimaldab peale loogiliste kvantbittide talletamise ka nendega veakindlalt arvutada. Veaindla arvutuse tehted erinevad suuresti füüsiliste kvantbittide operatsioonidest. Selle kirjeldamiseks on leiutatud uued matemaatikavaldkonnad, nagu võrekirurgia ja ZX-algebra.
Eestlased kvantarvutustehnoloogias
Johannes Heinsoo
Olen doktorikraadiga füüsik ja üks IQM-i esimestest töötajatest. IQM arendab ja müüb ülijuhtivate kvantarvutite täiskomplekte ja võimaldab oma süsteemidele ligipääsu pilve kaudu. Kõige alguses tuli teha plaane, patentida meie kesksed ideed, koordineerida esimese labori sisseseade soetamist, kavandada tööprotseduurid, mille järgi disainida kvantkiipe ja neid eksperimentide jaoks karakteriseerida. See omakorda tähendas põhjalikku tutvumist kümneid tuhandeid eurosid maksvate laboratoorsete mikrolaineseadmete tootekirjeldustega, krüogeeniliste süsteemide osade disainimist, tublis koguses tarkvaraarendust ja suhtlust järjest kasvava
inseneride meeskonnaga. Viis aastat hiljem on meil peaaegu 300 töötajat, enamik Soomes ja Saksamaal. Mina olen keskendunud ennekõike kvantarvuti süsteemiinseneeriale, s.o abstraktsete süsteemi alamosade kirjeldamine sellise detailsusega, et süsteemi alamosad sobiksid pärast sõltumatut arendamist omavahel hästi kokku. Selleks on vaja tihti aru saada eri valdkondade ekspertide leitud kitsendustest, et teha terviku tasemel kõige targemaid kompromisse.
Ants Remm
Lõpetasin möödunud aastal Šveitsi föderaalses tehnoloogiainstituudis Zürichis
doktoritöö, milles olen demonstreerinud ülijuhtivatest elektriahelatest kvantbittidega veaparandust. Minu ja kolleegide töö tulemuseks oli maailma esimene demonstratsioon teatud kvantveaparanduse protokollist. Sel aastal kolisin Bostonisse, kus asusin tööle Massachusettsi tehnikainstituudi vastses kõrvalfirmas Atlantic Quantum, millel on haru Rootsis Göteborgis. Atlantic Quantum arendab ülijuhtivate kvantbittide tehnoloogiat, mis oleks praktiline suureskaalaliste kvantarvutite ehitamiseks. Teistest firmadest, mis tegelevad ülijuhtidest kvantarvutite ehitamisega (IQM, Google, IBM, Rigetti), eristab meid kasutatud kvantbitte moodustav elektriahel, mis koosneb peale tavapärase kondensaatori ja Josephsoni siirde (nn transmon-tüüpi kvantbitt) veel induktiivpoolist (nn fluxonium-tüüpi kvantbitt). Minu praegune töö seisneb kvantkiipide mõõtmises ja nende toimimise kontrollimises. Sellel on kaks põhieesmärki. Esmalt tuleb kiiresti teha kindlaks kvantkiibi omadused, et saaksime võimalikud puudujäägid edasises arendusjärgus parandada. Teisalt arendan kvantoperatsioonide häälestamise meetodeid, mis lubaksid võimalikult kiiresti leida parameetrid (tugevus, sagedus, ajastus jne) signaalidele, mis teevad kvantoperatsioone.
Roland Matt
Pärast füüsika bakalaureuseõpinguid Tartu ülikoolis omandasin kvantfüüsika doktorikraadi lõksustatud ioonidega kvantinformatsiooni töötlemise alal Šveitsi föderaalses tehnoloogiainstituudis Zürichis. Mahukas doktoritöö võimaldas end arendada nii fundamentaalse aatomifüüsika kui ka nüüdisaegse inseneeria valdkonnas. Töö käigus sisustasin uue teaduslabori ja ehitasin kvantarvuti prototüübi, mis põhineb lõksustatud kaltsiumioonidel. Peale ülitäpsete isotoopnihete mõõtmise demonstreerisin uudset aatomite laserjahutamise meetodit. See avab tee eri kaltsiumi-ioonide isotoopidel põhineva kvantarvuti ehitusele. Praegu töötan idufirmas Oxford Ionics kvantarhitektina, minu ülesanne on arendada ettevõtte tehnoloogilist visiooni ja juhtida käsil olevate arendusprojektide füüsikalis-teoreetilist sisu. Minu põhihuvi on arendada skaleeruvaid paralleelseid kontrollimeetodeid, sest need on tarvilikud suuremastaabiliste kvantarvutite loomiseks.
Kvantarvuti ehituse nüüdisseis
Üks füüsikaline objekt, kuhu kvantbiti saab salvestada, on elektroni spinn, millel on täpselt kaks omaolekut. Vaikses elektromagnetilises keskkonnas on sinna võimalik salvestada ka omaolekute superpositsioonolekuid. Neid üksikuid elektrone saab hoida ka suhteliselt tavalistes ränipõhistes pooljuhtides. Niisuguse platvormi suur eelis on asjaolu, et põhimõtteliselt saab seda kõike teha praeguse pooljuhtide tehnoloogiga ja sama kiibi sisse panna kvantprotsessori juhtimiseks vajaliku tavaelektroonika. Samas on vaja materjalide absoluutset puhtust ja väikest kristallidefektide hulka. Üks selle platvormi juhtiv arendaja on pooljuhtide maailmas üliedukas Intel, mis on teinud seni keerukaima integreeritud kvantbittide juhtloogika kiibi (Intel Horse Ridge II), mis tõotab head selle platvormi skaleerimisele. Praegu on sellistel seadmetel tüüpiliselt kuni 14 kvantbitti ja vigade tõenäosus on alla ühe protsendi.
Teine platvorm, mis pealtnäha meenutab samuti tavalist elektroonikakiipi, on ülijuhtivad vooluahelad, kus kvantbiti ühte olekut tähistab üks mikrolaine sagedusega võnkeringi salvestatud energiakvant – plasmon. Superpositsioonoleku korral on võnkeringis korraga 1 ja 0 plasmonit. Samade sagedustega võnkeringid võivad olla eri induktiivsusega. Suure induktiivsusega võnkeringis on suured voolukõikumised, aga väikese induktiivsusega võnkeringis on suured pingekõikumised. Voolubitid on tundlikud magnetvälja mürade ja pingebitid on tundlikud elektrivälja mürade suhtes. Voolubittidega on praktikas lihtsam teha kiireid arvutusi ja need ajavad vähem sassi 0 ja 1 olekut. Pingebitte on rohkem uuritud, need on veidi lihtsama ehitusega ja ajavad vähem sassi kvantbiti superpositsioonolekuid. Pingebitte arendavad näiteks suurfirmad, nagu Google ja IBM, kvanttehnoloogiafirmad Rigetti Ameerikas ja IQM Euroopas. IQM on juba mitu viie kuni viiekümne kvantbitiga arvutit müünud riiklikele teadusasutustele ja superarvutuskeskustele, tõustes riistvara müügi liidriks. Voolubitte arendavad näiteks Amazoni meeskond Singapuris ja Ameerika-Euroopa noor idufirma Atlantic Quantum. Noorteadlased, kes on seotud Massachusettsi tehnikainstituudi ja Atlantic Quantumiga, on avaldanud teadustöö loogikaoperatsioonist, mille veamäär enne veaparandust on vaid üks tuhandest. See on ülijuhtide rekord. Suurimaid, 433 veaparanduseta kvantbitiga seadmeid on näidanud IBM (IBM Osprey). Ainult Google’i meeskond on demonstreerinud, et neil on kõik veamäärad piisavalt väikesed, et veaparandusega operatsioonide veamäär järjekindlalt väheneks, kui veaparanduskoodi suurus suureneb kolmest seitsmeni.
Kõige väiksemate kvantloogikaoperatsiooni veamääradega arvutusi tehakse elektrivälja lõksustatud ioonide siseolekutega. Samalaadset tehnoloogiat kasutatakse täpseimates aatomkellades. Sel suvel on ilmunud Oxford Ionicsi meeskonna teadustöö käsikiri, kus kirjeldatakse riistvara veamäära enne veaparandust kolm viga kümnest tuandest, mis on praegu rekord. Ameerika firma Quantinuum teeb koostööd Microsoftiga; koos on nad näidanud seni väikseima veamääraga veaparandatud põimolekut: ainult üks viga sajast tuhandest. Loogikaoperatsioonide tegemiseks on vaja ioone valgustada laseripulssidega, mille läbimõõt on ioonidest tunduvalt suurem. Seepärast peab paralleelse arvutuse jaoks operatsioonis osalevaid ioone liigutama laseri ette, muutes lõksu elektroodide pingeid. Läbimõõdult väikeste ja samas suurte pingetega elektroodide ehitamine on tehniline proovikivi: ioonid on ülitundlikud elektrivälja mürade suhtes ja liiga aeglane ioonide liigutamine piirab arvutuse kiirust. Kui need probleemid lahendada, siis võivad ioonidest saada parimad kvantarvutid.
Paljulubavaid platvorme on veel teisigi. Veidi üllatavalt on areenile ilmunud laenguta aatomid. Eelmisel aastal avaldasid seni mahukaima veaparanduse demonstratsiooni Harvardi ülikooli ja iduettevõtte Quera meeskond. Nad kasutasid 280 aatomit optilises lõksus, salvestasid igaühte ühe füüsilise kvantbiti ja tegid esimesena arvutusi 48 veaparandatud loogilise kvantbitiga. Nende loodud süsteemis saab optilise lõksu kuju kiirelt arvutiga muuta ja see võimaldab eraldi kõiki aatomeid soovi järgi liigutada. Nõnda saab valida, millised aatomid omavahel interakteeruvad olenemata nende algsest asukohast. Seetõttu saavad neutraalsed aatomid vabamalt liikuda, kaugete aatomitega saab kergelt arvutada ning nendega on võimalik kasutada keerukamaid veaparanduskoode, mis on selle platvormi suur eelis. Samas võib aatomite liigutamise kiirus liialt piirata arvutuse kiirust ja võib-olla muutub tehniliselt raskeks teha homogeenne optiline lõks tuhandetele aatomitele, piirates sellise kvantarvuti skaleeritavust.
Kvantbitt ja arvutus
Informatsioon koosneb jagamatutest tükkidest ehk bittidest. Peale kahe tavabiti võimaliku väärtuse võib kvantbiti olek olla nende kombinatsioon ehk superpositsioon. Mõistmaks kvantinformatsiooni, on väga tähtis teada, et võimalikke superpositsioonolekuid, ka selliseid, kus kvantbiti olek on ühesugune mõlemas biti olekus, on lõpmata palju. Samas on võimalik neid olekuid siiski üksteisest eristada. Sama kaaluga superpositsioonolekute erinevust nimetatakse faasiks.
Peale üksikute kvantbittide superpositsioonide on olemas kvantbiti registrite olekute superpositsioonolekud. Kui registri olekust ei saa täielikku ülevaadet, kirjeldades üksnes eraldiseisvate registriosade olekuid, nimetatakse neid registriosasid põimituks. Põimolekud sarnanevad tavainfo korrelatsioonidega, aga võimalike põimolekute ja tavaliste korrelatsioonide suhe suureneb kvantbittide arvuga eksponentsiaalselt. Seega, kvantregistrisse mahub palju tavalist infot ja see võimaldab lahendada ülesandeid, tehes palju vähem tehteid.
Tähtsaim kvantalgoritmi osa on arvutuse lõpp: vastuse väljalugemine ehk kvantregistri mõõtmine. Definitsiooni järgi koosneb meie tavamaailma probleemide kasulik vastus tavalistest bittidest, mitte kvantbittidest. Selleks et väljundbittides oleks õige osa registris peitunud kvantinformatsioonist, tuleb registri olekuruumis seada kvantinfo võimalike väljundbittide suhtes nõnda, et eri faasidega superpositsioonolekud omavahel kasulikul moel interfereeruksid. Algoritmid, mis seda ei kasuta, ei ole tavaarvuti algoritmidest võimsamad. Selle interferentsi tekitamine on kasuliku algoritmi leiutamise kõige tähtsam osa.
Kokkuvõte
Veel ei ole teada, milline riistvaratüüp saavutab esimesena kvantkasu. Selleks on vaja üliväikest veamäära, palju kvantbitte ja kiireid operatsioone. On väike võimalus, et piisab mõnest uuest algoritmist, paarisajast kvantbitist, vaid üks suurusjärk väiksematest veamääradest, vealeevendusest ja ehk teatab keegi kvantkasust juba järgmise aasta jooksul. Kui läheb vaja ka veaparandust ja väikestele lahendamata ülesannetele leitakse vastus hoopis näiteks masinõppega, võib vaja olla miljoneid kvantbitte. Valdkonna rahastus võib koos praeguse õhinaga taanduda ja kvanteduks võib kuluda ka kümneid aastaid. Kvantinfotehnoloogia areneb praegu väga kiiresti – eespool mainitud rekordid pärinevad peaaegu kõik sellest aastast! Kui saavutatakse kvantkasu, siis muutub ka meie maailm ja igapäevaelu kindlasti paremuse poole.
Autor tänab Mari Tagelit, Roland Matti ja Ants Remmi, kes on aidanud kaasa artikli valmimisele.
Johannes Heinsoo (1989) on füüsik, kes töötab juhtiva kvantinsenerina Euroopa suurimas kvantarvutiosi tootvas ettevõttes IQM. 2019. aastal kaitsenud Šveitsi föderaalses tehnoloogiainstituudis Zürichis doktoritöö ülijuhtivatest kvantbittidest kvantarvuti ja selle juhttarkvara arendamise kohta.