Fujitsu blogi

Mis on kvantarvutus ja miks meil on seda igapäevaselt vaja?

Juba üsna kaua on räägitud peatselt saabuvatest kvantarvutitest, mis suudavad teha võrreldes praeguste masinatega tohutult palju kiiremini arvutusi ja mille arvutusvõimsus paneb kahvatuma ka praegused võimsaimad serverikeskused. On meil seda vaja? Kunagi ju arvati ka, et 64 MB mälumahtu on alatiseks piisav.

Kuigi kvantarvuteid meil veel igapäevases kasutuses pole, võime juba praegu öelda, et suuremahulist kvantarvutust on mõnikord vaja ka täiesti lihtsates igapäevastes asjades – kasvõi reisikohvri pakkimisel või takso jaoks punktist A punkti B õige teekonna leidmisel. Muidugi võiks selliseid ülesandeid lahendada tohutu paralleelarvutuse võimekusega kvantarvutitega, mis teoorias on peaaegu valmis ja võivad varsti jõuda ka inseneride töölauale, aga tegelikult saab ka lihtsamalt.

Nimelt piisab lõputuna tunduvate kombinatsioonide hulgast õige lahenduse leidmiseks võimalike lahendusvariantide loogilisest vähendamisest ja optimeerimisest mõistlikkuseni, nii et saamegi justkui kvantarvutuse, aga mitte kvantarvutite, vaid tänapäevaste, täiesti korraliku jõudlusega arvutite abiga. Fujitsul on selle jaoks oma lahendus juba olemas.

Kuidas pakkida reisikohvrisse 40 asja?

Teeme ühe lihtsa (kvant)arvutuse: meil on sada asja, millest peame reisile kaasa võtma mitte rohkem kui 40. Muidugi oskab igaüks kõigile asjadele pilku peale visates kiiresti hinnata, mida võtta ja mida jätta ning lõpuks läheb vaid mõne üksiku asja vahel valides pisut aega, kas võtta see või teine. Samas peaks arvuti jaoks olema tegemist juba päris mahuka tööülesandega – 40 asja 100 seast välja valides on kokku variante 1,34 x 1028.

Kui võtame ette veel mõne natuke keerulisema lahenduse, näiteks autotööstuse robotite tööülesanded, kus keevitusrobotid peavad kerel tegema 64 keevitust – kokku on võimalik teha keevitusi siis 10106 kombinatsioonis. Samas suurusjärgus on näiteks mitme takso jaoks optimaalse trajektoori leidmine kliendini ja sihtkohta.

Kui veel lisada juurde, et selle arvutuse peaks tegema suhteliselt kohe, reaalajas, kui klient tellimuse täitmist ootab, siis vajaminevate arvutuste hulk ja kiirus oleksid astronoomilised – tõepoolest, tundub, nagu võimas tuleviku-kvantarvuti oleks siin ainus lahendus.

Kvantarvuti on praegu veel ülikeerukas ja kallis

Kui 1940ndatest alates on arvutid olnud kahendsüsteemis – kasutatakse ühtesid ja nullisid ehk kahte olekut, siis kvantarvutites on kõik teistmoodi. Nii-öelda kvantolek saavutatakse praeguste tehnoloogiatega absoluutse nulli tingimustes (ülimadalal temperatuuril, -273,15 ℃), nn qubit´id peavad olema kõikvõimalikest välistest mõjutajatest täielikult isoleeritud. Ei tohi olla magnetväljasid, kosmilist kiirgust – niipea, kui tekivad välised häirijad, langevad qubit´id tavalise arvuti bittide määratud olekusse. Tavalised olekud arvutis on kas 0 või 1, qubit´i olek on aga „0 JA 1“.

Samas lubaks selline keerukas kvantarvuti teha tohutul hulgal tehteid korraga – näiteks arvutada ühe hetkega läbi kõik võimalikud reisikohvri pakkimise variandid või mitme takso marsruudid klientideni ja sihtkohtadesse. Vastuse jaoks aega eriti ei kuluks.

Tulemus on küll paljutõotav, kuid lahendus praegu liiga kallis ja ebapraktiline.

Saab ka lihtsamalt

Õnneks ei pea selliste ülesannete lahendamiseks veel maailma serverivõimekust kokku rentima. Saab ka kergemini – kuigi tavalisest veidi suuremast arvutusvõimsusest pole siiski pääsu.

Koostöös Kanada idufirmaga 1QBIT valminud Fujitsu Digital Annealer on sillaks praeguste arvutitehnoloogiate ja kvantarvutite vahel, kasutades ära traditsioonilisi arvutite tehnoloogiaid kvantarvutuste tegemiseks.

Digital Annealeri arvutis on ära kasutatud ka kvantarvutuse teoreetilisi põhimõtteid. Tegemist on riistvara toega arvutustega, mis leiavad väga kiiresti optimaalsed lahendused väga paljude erinevate variantide seast. Nii nagu inimene oma mõtetes, nii ei hakka Digital Annealeri lahendus samuti läbi proovima triljoneid võimalikke kombinatsioone, vaid valib välja kõige olulisemad ja tegeleb nende seast parimate otsimisega. Selleks saavad arvutusmoodulid seadmes omavahel otseühenduses olles teha arvutusi juba inimese närvivõrgule omaselt paralleelselt paljusid loogilisi variante läbi proovides ja mittevajalikke kiiresti kõrvale jättes. Digital Annealer on 1024-bitine, selles imiteeritakse kõigi bittide kõiki olekuid korraga, mis tekitabki justnagu kvantoleku

Seega ei olegi vaja absoluutsesse nulli jahutatud seadmeid ja ülikalleid tugistruktuure, piisab tavalisest arvutist, mille sisemist ehitust on natuke muudetud. See on küll ligi 10 000 korda võimsam kui traditsiooniline räkiserver, kuid mahub vabalt ära sama suurde serverisahtlisse ja tarbib energiat sama mõistlikult, töötades toatemperatuuril. Digital Annealer on lisaks räkiserverile renditav ka pilveteenusena ning paljud lahendused juba kasutavadki seda: näiteks Volkswagen oma tootmisliini optimeerimiseks ja NatWesti pank Suurbritannias koostab „peaaegu-kvantarvutite“ abil investeerimisportfelle.

Veel üks lahendus, milleks kvantarvutust on praegu väga vaja

Lisaks mainitud optimaalsete lahenduste leidmisele väga paljude võimalike variantide seast on kvantarvutus väga sobiv veel ühele olulisele lahendusele, mida kasutatakse igapäevaselt aina rohkem.

Selleks on tehisintellekt – nii nagu inimene, nii peab ka masinõpe tegema pidevalt valikuid tohutu hulga võimaluste seast, millest valdav enamus on mõttetud ja mittevajalikud variandid. See on samamoodi nagu malemängus, kus saame teha igas seisus väga palju erinevaid käike, aga mõistlike käikude hulk on alati üsna väike ja selle leidmiseks ongi vaja tehisintellekti abi. Digital Annealer toob taolise lahenduse aga kätte juba enne, kui kvantarvutid kunagi keerulistest laboritest serverikeskustesse või kasutaja lauale kolivad.

Vaata siit lähemalt, mis on kvantarvutusest inspireeritud Fujitsu Digital Annealer:

Kui aga ikkagi natuke ähmaseks jäi, mismoodi Fujitsu Digital Annealer teistmoodi ülesandeid lahendab, kui tavaline arvuti, siis siin on veel üks näitlik võrdlus. Kui „tetrise“ klotse kuubikusse optimaalselt paigutama hakata, siis tavalise lahendusena proovitakse kõik variandid läbi, kuni parim on leitud. Digital Annealer aga nii-öelda raputab kasti nii kaua, kuni kõik klotsid on kukkunud õigesse asendisse. Ja see raputamine võtab palju vähem aega, kui ükshaaval kõigi asendite läbiproovimine. Põhjus on lihtne: kõik klotsid sobituvad oma õigesse asendisse korraga, mitte ükshaaval.

Artikkel ilmus algselt Fujitsu blogis.

Telli Geeniuse uudiskiri

Saadame sulle igal argipäeval ülevaate tehnoloogia-, auto- ja rahaportaali olulisematest lugudest.