2015. aastast ilmuvad Novaatori uudised Eesti rahvusringhäälingu veebilehe teadusrubriigis ERR Novaator (novaator.err.ee).

Novaator - Tulevik: mitmetuumalised kvantarvutid
21.05.2012 11:14

Tulevik: mitmetuumalised kvantarvutid

Einar Pius
Skype:
novaator@ut.ee
Loe kommentaare (2)
Samal teemal (8)

Me oleme harjunud, et igal aastal tuuakse turule uued ja võimsamad arvutid. Kuid mis juhtuks kui ühel päeval väidaksid arvutitootjad, et enamvõimsamaid arvuteid pole võimalik luua?

Protsessorite loomisest saati on arvutite võimsus iga pooleteise aastaga kahekordistunud. Seda seaduspära nimetatakse Moore'i seaduseks (Inteli kaasasutaja Gordon E. Moore'i järgi). Moore märkas, et transistorite arv protsessoris kahekordistub iga pooleteise aastaga. Transistor on väikseim komponent, millest protsessor koosneb. Selline mõõtmete kahanemine viib paratamatult piirini, kus füüsiliselt pole võimalik enam väiksemaid protsessoreid luua, sest algosakestel, millest kõik asjad universumis koosnevad, on kindel suurus.

Isegi enne, kui jõuame algosakeste kasutamiseni transistorites, seab meile taksituse kvantfüüsika. Väikesed objektid, näiteks algosakesed, käituvad viisil, mida klassikaline füüsika ei suuda seletada.

Nende nähtuste mõistmiseks loodi eelmise sajandi alguses kvantfüüsika teooria. Kui transistorite mõõtmed kahanevad suurusteni, kus klassikaliste füüsikaseaduste asemel peab kasutama kvantfüüsikat, tuleb protsessorite ehitust radikaalselt muuta. Selliseid arvuteid, mille protsessorid töötavad mitte klassikalise füüsika- vaid kvantfüüsikaseaduste järgi, nimetataksegi kvantarvutiteks. Just kvantarvutid võivad aidata Moore'i seadusel pikemalt jätkuda.

Kvantarvutid

Kuid kvantarvutite arendamiseks on põhjuseid teisigi. Üliväikesed objektid käituvad väga erinevalt sellest, mida klassikaline füüsika ennustab.

Üks eelmise sajandi tähtsaimatest füüsikutest ning Nobeli preemia laureaat Richard Feynman pakkus 1980ndate alguses välja, et seda ebatavalist käitumist on võimalik kasutada arvutamiseks.

Ta näitas, et kvantarvutitega oleks võimalik kvantfüüsikat simuleerida palju efektiivsemalt kui tänapäeval kasutatavate superarvutitega. Füüsikas, keemias ja bioloogias kasutakse aina rohkem kvantmehhaanika simuleerimist, näiteks kirjeldamaks molekulide struktuuri ning omavahelisi reaktsioone.

Üksikud molekulid ja aatomid on piisavalt väikesed, et jälgida kvantfüüsikaseadusi. Molekulide omavaheliste reaktsioonide ennustamine arvutuslikult on aga kasutusel uute ravimite väljatöötamisel. Simulatsioon võimaldab ravimiarenduse varajases staadiumis ennustada, kuidas selle molekulid reageerivad inimese rakkudega. See kiirendab oluliselt uute potentsiaalsete ravimite avastamist ning võimaldab ebaefektiivseid välja praakida juba algstaadiumis.

Samas ei ole ühtegi teadaolevat meetodit kvantfüüsika täpseks simuleerimiseks arvutitel. Et see isegi ligikaudselt oleks võimalik, peavad objektid olema kas väga väikesed või arvutused ebatäpsed.

Kvantarvutite eripära on, et nendega on võimalik jagada iga arv algteguriteks. Ei ole oluline aru saada kuidas seda tehakse, või isegi mis on algtegur, tähtis on, et enamus tänapäeval kasutuses olevatest elektroonilistest turvasüsteemidest põhineb sellel või selle üldistusel.

Kui keegi looks töötava kvantarvuti oleks tal võimalik jälgida näiteks teiste turvalist andmevahetust internetipangaga; sealt välja lugeda paroolid ja kasutajanimed ning nende pangaarve rahast tühjaks teha. Kuid muretsemiseks ei ole siiski põhjust, sest kvantarvutid võimaldavad informatsiooni ka saata nii turvaliselt, et teised kvantarvutid ei suudaks seda lugeda.

Kvantarvutid aitaksid kaasa teadustöödes eelmainitud teadusvaldkonnas, kuid kahjuks pole praeguste teadmistega kvantarvutite ehitamine võimalik.

Mitmetuumalised kvantarvutid

Mitmetuumalised arvutid on muutnud väga populaarseks. Need võimaldavad paralleelselt, ehk samaaegselt töötada erinevate ülesande kallal. Kui veel kümmekond aastat tagasi olid mitmetuumalised arvutid haruldased ning tavakasutajatele kättesaamatud, siis tänapäeval on praktiliselt igal personaalarvutil mitu tuuma. Isegi uusim iPhone kasutab kahetuumalist protsessorit.

Esimene müüdud kvantarvuti on 128-kvantbitine. Kvantbitt on väikseim informatsiooniühik kvantarvutites. Mainitud arvuti ostis 2011. aasta suvel 10 miljoni dollari eest sõja- ja kosmosetehnikat tootev USA firma Lockheed Martin. Kuigi tolle arvuti täpne spetsifikatsioon on avalikkuse eest varjatud, on spekuleeritud, et see on paralleelarvut, millel on 16 8-kvantbitist tuuma.

Kuid miks luua paralleelne kvantarvuti, kui isegi ühetuumalist pole veel olemas? Tavaarvutite puhul läks aastakümneid enne kui mitmetuumalised protsessorid laialdaselt kasutusele tulid. Peamine põhjus on kvantbittide lühike eluiga. Nad kaotavad endasse salvestatud informatsiooni väga kiiresti. Enne kui arvuti ülesande lahendab, kaob kvantbittides olev informatsioon ning ülesande tulemus muutub kasutuks. See on üks suurimatest probleemidest kvantarvutite loomisel.

Just selle probleemi lahendamiseks võib paralleelsus osutuda hädavajalikuks. Jooksutades programme mitmel tuumal korraga on võimalik vähendada arvutuseks kuluvat aega. Seega on ka aeg millal kvantbitt peab oma informatsiooni hoidma lühem.

Paralleelsete kvantarvutite miinuseks on suur kvantbittide arv võrreldes ühetuumaliste masinatega. Sarnaselt kvantbittides informatsiooni hoidmisega, on ka nende arvukas kasutamine keeruline. Kumb kvantarvuti on reaalsem, seda näitab tulevik. Enamus kvantarvuteid mille kallal eksperimentaalselt töötatakse on ühetuumalised. Uute efektiivsete paralleelkvantarvutuste leidmine, mis on minu uurimistöö eesmärk, võib seda tasakaalu muuta parallelismi kasuks.

Einar Pius õpib Šotimaal Edinburgh’i ülikoolis füüsikadoktorantuuris ning uurib paralleelseid kvantarvutusi. Artikli kirjutas ta Tartu Ülikooli doktorantide populaarteaduslike artiklite konkursile. Konkurssi aitasid korraldada haridus- ja teadusministeerium ja sihtasutus Archimedes.

21.05.2012 22:43
tuevikumuusika

See realiseerub - kuigi me veel ei mõista kvantfüüsikat, päriselt.Paralleelsete kvantarvutite tulekut ei takista mittemõistmine. Praktikas on tõestatud Schrödingeri lainefinktsiooni paikapidavus...

Lisa kommentaar
21.05.2012 23:09
tulevikumuusika

Oijah, klaver ignoreerib mõnikord vajutatud klahve, peab kontrollima ka pealkirja.
Kõigepealt oleks vaja teha ühetuumne kvantarvuti? Või jätta see vahele ja kohe keskenduda paralleelkvantarvutile?

Lisa kommentaar

 

Hollandi riigiarhiiv 25.07.2014 16:05

Arvuti analüüsib biitlite muusikat (2)

Tarkvara suudab eristada erinevatel albumitel ilmunud lugusid.

San Diego California ülikool 26.05.2014 17:09

Arvuti tunneb simulandi kaugelt ära

Tarkvara eristab valu teesklejaid tõelistest haigetest 85-protsendilise täpsusega.

24.04.2014 13:37

Näotuvastustarkvara teeb inimesele ära

Uus programm leiab fotodelt sarnased näod 98,5-protsendilise täpsusega.

02.04.2014 15:29

Arvutid õpetavad teineteist

Eriline algoritm lubab arvutil kaaslasele nõu anda.

27.02.2014 14:54

Viirused ohustavad wifivõrke

Viirus levib wifivõrkudes sama kiiresti kui külmetushaigused inimeste seas.

23.01.2014 11:01

Uus lahendus Skype’is petturite avastamiseks

Skype’i kasutajate suhtlusvõrgustiku automaatne analüüs võimaldab eristada neid, kelle kavatsused ei pruugi olla kõige heasoovlikumad.

30.12.2013 18:11

Mida on võimalik teada saada mobiiltelefoniandmeid analüüsides?

Kõigil on taskus mobiiltelefon, mida kasutades jätame me endast pidevalt jälgi: iga kõne, SMS või internetiühendus jätab andmebaasi märgi.

10.12.2013 16:15

Oma silm on kuningas (1)

Pidev pildistamine takistab mälestuste tekkimist.

04.12.2013 17:44

Uudne pildiotsing raalib inimeste suhteid

Algoritm tunneb inimesi ära näotuvastust kasutamata.

18.11.2013 13:52

Kvantmälu tegi uue rekordi (2)

Toatemperatuuril suutis kvantbitt infot säilitada infot 39 minutit.

10.10.2013 12:15

Nobel: Mehed, kes viisid keemia arvutisse

Tänapäeval teevad keemikud palju tööd ära juba arvutimudelite abil, minnes alles seejärel laborisse.

23.09.2013 17:30

Veebis veedetud aeg kammitseb aju

Infotulv takistab mälu.

03.09.2013 17:35

Facebook mõjub ajule nagu seks ja hea toit

Aju lööb nurru igal korral, kui keegi su postitust meeldivaks peab.

12.08.2013 17:26

Kas usaldada internetikommentaare? (3)

Meid huvitab teiste arvamus. Uut külmkappi ostes kulutame tunde guugeldamiseks. Internet ei paku alati õigeid vastuseid, sest inimesi on kerge mõjutada, näitas Massachusettsi tehnoloogiainstituudi uurimus.

17.07.2013 07:38

Tehisintellekt jääb terve mõistusega hätta

Kõige võimekamad arvutid on arukuselt nelja-aastase lapse tasemel.

26.06.2013 14:04

Eluviisid mõjutavad mälu ja õpivõimet (6)

Veebimängud aitavad neuroteadlastel uurida une ja alkoholi mõju vaimsele võimekusele.

Paolo Villanueva/Flickr 30.04.2014 11:26

Nutitelefoni kiirendusandur reedab omaniku (1)

Mobiiltelefonid suudavad nuhkida, kuid ka nende järel luuramine muutub aina hõlpsamaks.

11.04.2014 14:42

Kas päike on aastaks 2032 maa peale toodud? (4)

Piiramatu arvutivõimsus ja termotuumaenergia kasutuselevõtt oleksid võrreldavad muutusega, mille tõi inimkonnale kaasa internet. Aga kas meil õnnestub lahti muukida universumi olemuse üks põhiküsimusi?

06.03.2014 17:46

Arvutiprogramm joonistab 17 miljoni värvitooniga VIDEO (1)

Programmeerimisvõistluse võitnud tarkvara kasutab kõiki digitehnikas kasutatavaid värvusi.

06.02.2014 19:11

Kas sotsiaalvõrgud teevad meid rumalaks? (1)

Pikaajaline sotsiaalvõrgustike kasutamine uinutab terve mõistuse.

22.01.2014 15:45

Kui kiire on kvantarvuti? (1)

Kvantarvutid võivad olla loodetust palju aeglasemad.

23.12.2013 21:24

Hiirega klõpsimine muudab käed osavaks (1)

Facebookis ja YouTube´is veedetud aeg lihvib käte ja silmade koostööd.

09.12.2013 15:18

Kas arvutil kirjutaja aju tegutseb omapäi?

Vähesed inimesed teavad klaviatuuril tähtede asukohti. Ometi ei takista see neid kiiresti kirjutamast.

26.11.2013 16:38

Arvuti proovib inimese kombel mõelda (2)

Internetist pilte otsiv arvutiprogramm vaatab ja õpib.

11.11.2013 10:06

Internet kui toimetulekumehhanism

Eesti teismeliste kalduvus internetis igavleda viitab struktureeritud tegevuste nappusele, ütleb meediauurija Lukas Blinka.

26.09.2013 18:33

Süsinikarvuti töötab nanotorukeste najal

Esimene süsinikprotsessor on sama võimas kui 40 aasta tagused ränikiibid.

20.09.2013 15:42

E-raamat aitab lugemisraskuste puhul

Vaeglugejaid aitab võimalus teksti hõredaks muuta.

28.08.2013 18:09

Tarkvara aitab videokõnes silmsidet luua

Skype´i kasutajad saavad edaspidi üksteisele kõne ajal silma vaadata.

31.07.2013 14:25

Kas internetis saab hingehädadest priiks?

E-nõustamine sobib neile depressioonihaigetele, kes on ise huvitatud oma tervise paranemisest.

05.07.2013 12:23

Kes säutsus? (1)

Twitterisse postitamise kellaajad reedavad, kas kontot kasutab inimene või hoopis internetirobot.

 
Küsi teadlaselt
Teatavasti vee ruumala paisub nii soojenemisel (aurustumisel) kui ka jäätumisel. Oletame, et on üks anum, mis on vett täis ja on purunematu. Mis hakkab juhtuma siis, kui sundida sellel veel jäätuda?
Jaak Kikas, Tartu ülikooli füüsika instituudi direktor :

See on huvitav küsimus, millele täpse kvantitatiivse vastuse andmine polegi nii lihtne. Üldiselt aga võiks vastata nii: kui paisumisvõimalus puudub,

Loe edasi!
Esita küsimus Kõik
Tartu Ülikool
Idee
Veider teadus