Viimastel ajal räägitakse üha enam kvantrevolutsioonist. Praegustest arvutitest tohutult palju võimsamale kvant-superarvutile ennustatakse imetabast potentsiaali farmaatsia-, materjali- ja sõjatööstuses, teisalt kardetakse, et kui selline superarvuti valedesse kätesse satub, saab sellega teha palju paha, näiteks nagu sõrmenipsust lahti muukida Eestile palju kuulsust toonud e-riigi kaitsesüsteemid.

Seetõttu pole ime, et maailmas toimub kvant-võidujooks ja distantsil osalevad ka kaks noort Eesti teadlast, keda Kristjan Pihl Šveitsis külastas, et küsida – mis meid ikkagi ees ootab?

Roland Matt on eksperimentaalse kvantfüüsika doktorant ETH Zürichis. "Ärge ühegi laua peale toetuge, ärge ühtegi asja näpuga katsuge!" loeb ta enne optikalaborisse sisenemist "Pealtnägija" võttegrupile sõnu peale. Muidu võid jääda pimedaks või end ära põletada. "Meil on seal laserid, mis on piisavalt võimsad, et sa kas saad lihtsalt päikesepõletuse või põletushaavu ja jääd pimedaks."

ETH Zürichis on kunagi töötanud ka relatiivsusteooria isa Albert Einstein. Nüüd tehakse siis teadust, mis võib olla inimkonna jaoks veel pikem samm tulevikku.

Arvutid on meie elu praeguseks muutnud palju, kuid kvantarvuti suudab teha asju, mida me praeguste arvutitega ettegi ei oska kujutada.

Sama ülikooli teises laboris, transformeerib oma ajurakke kvantbittideks teinegi nutikas eestlane – 27aastane Ants Remm, teine eksperimentaalse kvantfüüsika doktorant.

"Need algoritmid, mida me saame kvantarvuti peal jooksutada, on fundamentaalselt teistsugused klassikalise arvuti algoritmidest. See võimaldab meil lahendada teatud probleeme, mida klassikalise arvuti peal lihtsalt lahendada ei saa."

Ants ja Roland on kirglikud mägimatkajad, kelle iga puhkepäev möödub Šveitsi Alpides ronides ja teatud mõttes on kõrguste vallutamine neil veres.

Noored füüsikageeniused lõpetasid mõlemad Tartu Hugo Treffneri Gümnaasiumi ja noppisid juba kooliajal kõrgeid kohti rahvusvahelistel aineolümpiaadidel. Ants oli andekas füüsikas ja matemaatikas, Rolandi eriline huvi olid loodusained ning loomulikult füüsika. Aastal 2013 pani ta oma teadmised maksma ETV teadussaates "Rakett 69" ja jõudis finaali. Nüüd on käsil aga hoopis tõsisemad eksperimendid.

Roland töötab eksperimendi kallal, mille keskmes on vaakumkamber, mille akende kaudu lastakse erinevates suundades sisse laservalgus. "Me saame lõksustada seal mitmeid kaltsiumi ja berülleumiaatomeid ja me saame nende olekut kontrollida."

Lõksustatud aatomite abil ehitatakse maailma kõige täpsemaid aatomkellasid.

Kuidas täpne on üks aatomkell? Roland võtab lahti aatomkella täpsuse:

• võtad ühe juuksekarva,
• lõikad temast ühe viilu nii, et sa saad ühe juuksekarva kujulise ketta,
• siis jagad selle ketta sajaks lõiguks,
• võtad selle ühe sajandiku juuksekarvast, mõõdad kauguse maakera keskpunktist, kuni päikeseni ja loendamisel eksid ainult ühe korra.

"Vot nii täpsed on kaasaegsed aatomkellad. See pole piir, me tahame tegelikult teha veel täpsemaid aatomkellasid," nendib Roland. Samu kelli ehitatakse ka lõksustatud ioonidega.

Aga mis see kvantarvuti on?

Kvantteema on lihtsureliku jaoks müstiline nagu alkeemia, mis justkui trotsib seniseid põhitõdesid, mida meile füüsikatunnis õpetati.

Kõige lihtsam selgitus on, et senised arvutid toimivad nullide ja ühtede põhjal ehk osakesel saab olla korraga üks väärtus, kuid kvantfüüsikas saavad osakesel olla korraga mõlemad väärtused. Ärge tundke end halvasti – ka paremad pead ei saa sellest lõpuni aru.

Ants Remm on püüdnud oma vanematele seletada, millega ta tegeleb, aga ta arvab siiski, et vanemad vist ikka päris lõpuni sellest aru ei saa.

Teine võimalus teemale läheneda on nii: tegu on väga-väga-väga väikeste osakeste uurimisega.

Mõneti lihtsustades on Šveitsis töötavate eestlaste eesmärk saavutada ülikülmas vaakumkeskkonnas imepisikeste kvantosakeste üle kontroll. Asja mõte on, et kui pisikesed aatomid oma pilli järgi tantsima saada, on teoreetiliselt võimalik teha hiigelsuuri arvutusi. Töö käib sisuliselt ööpäev läbi, seitsmel päeval nädalas, aga päris ideaalset tulemust veel ei paista.

"Kui tahta öelda maainimese keeli, siis see on väga lihtne transistor. Meie arvutites on miljoneid transistore. Kogu see värk on siis üks. Pluss veel veidi lisakeerukust," püüab Roland Matt selgitada.

Aga nüüd tuleb see asi teha suuremaks. Vaja on palju rohkem aatomeid, nad kõik peavad olema hea kontrolli all ning teadlased peavad neid suutma kontrollida paralleelselt. "Ja mida suurem on sinu register, seda suuremat arvutust sa saad teha."

Eesti mehed ajavad Šveitsis sama asja, aga täiesti erineval moel.

Kui Roland kasutab lõksustatud aatomite metoodikat, kus teadlased manipuleerivad looduslike kvantosakestega laserite abil, siis Antsu eriala on käsitööna valmistatud elektrikiibid, mis väga täpseks tuunitud aparaadis peaksid andma tehisaatomite üle samasuguse kontrolli.

Ants Remm näitab aparaati, millest suurema osa moodustab põhimõtteliselt külmkapp, mis võimaldab kvantprotsessori viia väga madalatele temperatuuridele. Et seda saavutada, on sellel külmkapil vaja palju erinevaid kihte, mis igaüks võimaldab minna natuke madalama temperatuurini, kui oli eelmine kiht.

"Me teeme sama asja erineva tehnoloogiaga. Väga laias laastus oleme mõlemad puuraidurid, üks meist raiub kirvega, teine lõikab puid maha saega," märgib Roland Matt.

Kvantosake on pirtsakas

Asja keerukus peitub kvantosakeste väga pirtsakas loomuses Praegu ei allu osakesed sageli teadlaste tahtele ja eksivad arvutustes.

Sisuliselt on olukord nagu 1950ndatel raalidega, kui toa-suurused masinad suutsid täita vaid üksikuid piiratud ülesandeid. 70 aastat hiljem ei kujutaks me elu ette ilma arvutiteta. Tartu Ülikooli teoreetilise füüsika teaduri Veiko Palge sõnul käib maailmas sel rindel tõeline võidujooks ja tulevikus näeme kvantarvuti mõju sisuliselt kõikjal.

Näiteks aerodünaamikas on väga oluline disainida lennuki tiibu ja autokeresid, millel on meile soovitud aerodünaamilised omadused. "Nende arvutuste tegemiseks on vaja väga palju klassikalist arvutusvõimsust ja on aru saadud, et kvantarvutite abil on võimalik seda oluliselt kiiremini teha," selgitab Veiko Palge.

Teine suur valdkond on ravimitööstus, mis kasutab väga palju katseklaasimeetodit, kuna tulemused ei ole nii täpsed kui teadlased sooviksid. "Ja me ei saagi klassikaliste arvutitega sageli mitte kunagi neid täpseid tulemusi kätte, ükskõik kui suure arvutit kasutame." 

Roland Matt kirjeldab omalt poolt, et ravimistööstus teeb ravimiarenduses katseid loomade, näiteks ahvide peal. See kõik võtab väga palju. Tavaliste arvutitega saab teha arvutusi, aga mitte lõplikke ja täpseid arvutusi, sest ühel hetkel lähevad asjad nii keeruliseks, et arvuti jõud ei käi enam üle ja tuleb kasutada lihtsustatud meetodeid. Sealt edasi tekivad efektid, mille puhul teadlased ei tea, mida need asjad päriselt inimesse pannes teevad.

Google kibeleb teatama oma kvantarvutist

Potentsiaali näitab seegi, et kui kümneid aastaid oli see akadeemiliste uurijate pärusmaa, siis täna osalevad võidujooksus maailma suurkorporatsioonid nagu IBM, Microsoft ja Google, mis on andnud juba ainest ka kõlavatele pealkirjadele.

"Kvantarvutite ringkondades räägitakse juba kevadest saati, et Google tuleb kohe-kohe välja uudisega, et ta on ehitanud valmis kvantarvuti, mis suutis 3 minuti ja 20 sekundiga lahendada ülesande, mille jaoks tavaarvutil kulub 10 000 aastat. Selline saavutus näitab arendusvõimsust ja seda kuhu need arvutid juba jõudnud on" märgib Palge.

Üks spetsiifiline valdkond, milles tõenäoliselt tuleb murrang, on krüptograafia. Asjatundjad oletavad, et lähima kümnendi jooksul jõuavad kvantarvutid juba sellisele tasemele, et näiteks võimaldavad muukida sisse internetipanka või lugeda teie interneti vestlustesi, mida täna peetakse üliturvalisteks.

Praegune krüptograafia, mis meie andmeid kodeerib, põhineb sellel, et suuri arve on väga raske tegurdada. Aga seda ülesannet suudab kvantarvuti lahendada väga-väga palju kiiremini ja edukamalt kui klassikaline arvuti. See tähendab, et krüptograafia, mis meil praegu kasutusel on, murtakse lahti.

"Kui jõuame sinna tasemele, et meil, või kellelgi maailmas, on funktsioneeriv suureskaalaline kvantarvuti, siis kindlasti kõik krüptograafia mängureeglid muutuvad. See, kuidas pangad, valitsused ja muud kaitseorganisatsioonid oma infot edastavad ja teiste infot üritavad kätte saada, need reeglid muutuvad," kirjeldab Ants Remm tulevikku.

Just tohutu potentsiaal nii klassikalises sõjatööstuses kui ka hübriidsõja relvana on pannud suurriike, eesotsas USA ja Hiinaga, investeerima kvantvõimaluste uurimisse ja arendusse miljardeid. Teadlased kinnitavad, et kui keegi tõhusa kvantarvuti stabiilselt tööle saab, suudab see lahti murda ka avaliku võtme krüptosüsteemi, millel põhineb suurem osa Eesti e-riigist.

Veiko Palge meenutab, et aasta eest hoiatas IBM'i juhatuse liige, et viie aasta pärast võime RSA krüptograafia*, millel tugineb ka Eesti e-riik, prügikasti visata. "See hoiatus on olemas ja sellest on teadlikud ka Eesti e-riigi arendajad."

Roland Matt lisab, et seetõttu peavad ka tulevikusüsteemid üle minema kvantkindlale krüptograafiale. "Mis samuti tähendab, et meil hakkavad tekkima sideliinid, mida ei saa pealt kuulata."

See aeg ei ole veel käes ning kõige optimistlikumate ennustuste järgi võiks see aeg saabuda kümne aasta pärast, võib-olla ka hiljem.

Lootus on, et kui muukijad omandavad kvant-võimekuse, siis on ka kaitse jõudnud sama kaugele. Kokkuvõttes tõdevad asjaosalised, et lootused ja ootused on suured, aga sõltuvalt täpsest valdkonnast muudab kvantarvuti meie elu kõige varem 5-15 aasta pärast, sest enne tuleb Rolandil, Antsul ja teistel kvantfüüsikutel ära lahendada terve hulk probleeme.

Kuigi meedias on olnud pealkirju, et kvantarvuti on valmis, siis peab Roland Matt seda praegu ikkagi pigem reklaamjutuks, mitte päris uudiseks.

* Loole tagasisidet andnud ekspert täpsustas, et kvantarvutite vastu kindel krüptograafia on siiski juba olemas ja selle laialdasele kasutuselevõtule eelnev standardimisprotsess juba käib. Seda võimaldab see, et kvantarvutite alane teooria on väga kaugel ees praktikast ja on väga hästi teada, kuidas kvantarvutid erinevaid krüpteerimisskeeme ohustavad.