Maailmanlaajuista hyötyä suurtehokvanttilaskennan kautta

Ideasta hyötyyn

Kvanttitietokoneiden kypsyminen ideasta ensimmäisiin kaupallisiin tuotteisiin kesti neljäkymmentä vuotta. Tähän pisteeseen ollaan tultu vuosikymmeniä kestäneen perustutkimuksen kautta, tutkimuksen, jota on leimannut kansainvälinen yhteistyö eri maiden ja maanosien välillä. Tässä vaiheessa on tärkeä rehellisesti todeta, että kaupallisen sektorin kasvavasta kiinnostuksesta ja investoinneista huolimatta, kvanttitietokoneet ovat vielä lapsenkengissään. Jotta kvanttiteknologiasta kehittyy yhteiskuntaa mullistava teknologia, alan perustutkimusta on tuettava vielä vuosikausia. 

Superlaskenta

Kvanttitietokoneiden ennustetut supervoimat tiettyjen laskutehtävien suorittamisessa on otettava vakavasti. Yksi puoli tätä on uhka, jonka riittävän kehittyneet kvanttitietokoneet muodostavat digitaaliselle salaukselle. Kuuluisa Shorin algoritmi vaatii kuitenkin huomattavasti enemmän tehoa ja voimaa kuin mitä lähitulevaisuuden kvanttitietokoneet voivat tarjota, ennen kuin se pystyy hajottamaan internetin. Kvanttilaskennan mahdollisuudet tehostaa suurteholaskentaa, tieteellistä mallintamista ja TKI-toimintaa yleensä tarjoaa paljon kiehtovammat näkymät.

Perinteiset supertietokoneet ovat valtavan tehokkaita. Superlaskennan kehitys on kuitenkin ollut niin tasaista, että edistystä ei kovin helposti pane merkille. Tänä vuonna otimme harppauksen exaskaalan superlaskentaan, kun ensimmäinen järjestelmä, Frontier, rikkoi rajan 10¹⁸ liukulukuoperaatiolle sekunnissa. Luku on lähes käsittämättömän suuri. Tämä on myös miljoona kertaa enemmän kuin mihin nopein supertietokone pystyi 25 vuotta sitten; nyt voidaan ratkaista miljoona kertaa monimutkaisempia ongelmia. Mr. Spockin vähäeleiseen tapaan: kiehtovaa. Vaikka 25 vuotta saattaa äkkiseltään kuulostaa muinaisajalta, se ei itse asiassa sitä ole, ainakaan meille, joilla oli ikää elokuville tuolloin. The Fifth Element – puuttuva tekijä, Men in Black – miehet mustissa, ja tietenkin Titanic eivät ole niin kauhean vanhoja, vaikka historiallisia ehkä ovatkin. Kaikesta tulevasta edistyksestä klassisessa superlaskennassa huolimatta, on kuitenkin olemassa joukko laskennallisia ongelmia, joita supertietokoneet eivät pysty ratkomaan, ei nyt, ei sadan 25-vuotiskauden jälkeen, ei koskaan.  Elleivät ne yhdisty kvanttitietokoneiden kanssa.

Miksi kvanttia?

Kvanttikiihdytetty suurteholaskenta voi mahdollistaa vallankumouksellisen monimutkaisia simulaatioita. Herkkää balettiaan molekyyleissä ja materiaaleissa esittävien elektronien liikkeiden hienot yksityiskohdat ovat täydellinen esimerkki erittäin monimutkaisesta mallinnusongelmasta mikroskooppista pienemmällä mittakaavalla. Pidemmän mittakaavan esimerkkinä voisi käyttää elektronien torvisoittokunnan mantereita kattavan maailmankiertueen koreografiaa sähköverkkoja pitkin, tavoitteena mahdollisimman vikasietoinen sähkönsyöttö.

Kvanttitietokoneet tarjoavat ratkaisua kvanttibittien, eli kubittien muodossa. Näissä kvantti-informaation perusyksiköissä piilee uskomaton teho. Jokainen täydellinen lisäkubitti kaksinkertaistaa kvanttitietokoneen tehon. Jotta kvanttimaailmassa ongelman koko kasvaisi miljoonakertaiseksi, tarvitsemme vain vaatimattomalta kuulostavat kaksikymmentä ylimääräistä ihanteellista kubittia. Toiveena tässä on, että kahdenkymmenen täydellisen lisäkubitin kehittäminen ei sitten joka kerta vaatisi 25 vuoden kehitystyötä.

Miksi sitten suurteholaskentaa?

Kvanttitietokoneet eivät korvaa perinteisiä tietokoneita. Ne suoriutuvat erinomaisesti joistakin tehtävistä, mutta huonosti monista muista. Suurien ”grand challenge” -tyyppisten ongelmien ratkaisuun voidaan tarttua tunnistamalla sellaisia laskennallisesti raskaita osia kokonaisongelmasta jotka soveltuvat kvanttitietokoneille, ja korvaamalla vanhanmalliset klassiset osat kvanttiohjelmalla . Esimerkkinä voidaan mainita digitaaliset kaksoset, maapallon jäljennökset, joita kehitellään nyt maailman tehokkaimmille supertietokoneille. Nykyisiin suunnitelmiin kuuluu esimerkiksi sääjärjestelmän, valtamerten ja biologisen monimuotoisuuden digitaalisten vastineiden luominen ihmisten käyttäytymisen ohjaamiseksi. Viime kädessä tavoitteena on yhdistää eri mallit yhdeksi suureksi toisiinsa kytketyksi järjestelmäksi, jolloin mallin monimutkaisuus lisääntyy dramaattisesti. Tässä kvanttilaskennan ja suurteholaskennan yhdistäminen voi olla ratkaisevassa asemassa.

Vihreä kvanttihyöty

Eksponentiaalista kvanttikiihdytystä saamme kuitenkin vielä odottaa ainakin vuosikymmenennen ajan. Lähitulevaisuudessa toisenlainen kvanttihyöty voi kuitenkin olla vieläkin merkittävämpi. Verrattuna klassisiin laitteisiin, kvanttitietokoneet käyttävät tietyn ongelman ratkomiseen vain murto-osan energiasta. Kvanttitietokoneiden ei tarvitse antaa vastauksia perinteisiä tietokoneita nopeammin; vastausten löytymisellä vähemmällä energiankulutuksella on välitön, myönteinen maailmanlaajuinen vaikutus. Tällä hetkellä eniten energiaa supertietokoneilla kuluttavat elektronirakenteen selvittäminen (lue: tehokkaammat akkumateriaalit ja lääkeaineet) ja tekoälysovellukset. Sattumoisin nämä ovat myös ongelmia, jotka soveltuvat erityisen hyvin kvanttitietokoneille! 

Hyötyä avoimesta tieteestä

Kvanttitietokoneet voivat hyödyttää yhteiskuntaa tarjoamalla välineet ennennäkemättömän laajojen laskennallisten kokeiden suorittamiseen ja luomalla erittäin tarkkoja ennusteita faktaperustaista päätöksentekoa varten. Kvanttihyöty, joko laskentateholla tai energiatehokkuudella mitattuna, muuttaa tapaa, jolla hyödynnämme supertietokoneita. Ensimmäiset edut ovat asteittaisia, jonkin verran tehostaen klassista tiedonkäsittelyä. Olemme tasaisesti etenemässä tätä pistettä kohti. Rakennusprojektissa, jossa kvanttilaskennasta pystytetään mielettömän tehokasta tieteellistä välinettä, pieni hyöty on kuitenkin vasta alkusoittoa. Ensimmäinen voitto juniorisarjan jalkapallo-ottelussa: kiva juttu, mutta suuret rahat ovat vielä pitkän matkan päässä. Kärsimättömälle eskarilaiselle sisällämme on kerrottava, että ei, emme ole vielä perillä!

Nyt on vaarana, että ensimmäiset merkit kvanttihyödystä laukaisevat yhteistyöstä luopumisen lumivyöryn alalla. Ensimmäiset merkit teknologisesta protektionismista ovat jo ilmassa. Liian varhaisessa vaiheessa tämä viivästyttäisi väistämättä yhteiskunnan kannalta elintärkeän, todella vallankumouksellisen kvanttihyödyn syntymistä. Pahimmassa tapauksessa hyöty ei ainoastaan viivästy, vaan se menetetään kokonaan, mikäli kehitys tyrehtyy liian tiukkojen yhteistyöesteiden vuoksi. Vain yhdistämällä voimavarat ympäri maailman voimme löytää ratkaisuja kiperimpiin ongelmiin ja edessämme oleviin esteisiin. Tämä edellyttää, että me maailmanlaajuisena yhteisönä jaamme osaamistamme mahdollisimman vapaasti ja avoimesti. Jokainen vuosi, jonka voimme tuoda kvanttilaskennan vallankumouksen lähemmäksi, lisää vuoden verran tiedettä ja kehitystä, jossa kvanttikiihdytettyä superlaskentaa voidaan käyttää apuna ratkaisujen löytämisessä ainakin joihinkin ihmiskunnan ja planeettamme kohtaamiin suurimpiin haasteisiin.

HPC-keskukset tarjoavat pyöreän pöydän keskustelulle

Yhteistyö on useimpien suurteholaskentakeskusten, eli HPC-keskusten perustoimintaa. Se ulottuu yksittäisten asiakkaiden kanssa tehtävästä yhteistyöstä, jonka tarkoituksena on saada kaikki irti tarjoamistamme palveluista, aina kansainvälisiin kumppanuuksiin, joiden avulla luodaan tehokkaita rajat ylittäviä e-infrastruktuureja. Esimerkiksi LUMI-supertietokone on Euroopan tehokkain sen takia, että se pystytettiin aitona yhteiseurooppalaisena yhteistyönä. Kokonaisuus on todellakin huomattavasti enemmän kuin osiensa summa. HPC-keskukset eri puolilla maailmaa ovat siksi luontevia yhteistyön solmukohtia myös kvanttilaskennan vaikuttavuuden kehittämisessä. Kattavan, toimivan ja merkityksellisen tulevaisuuden laskentainfran luomiseen tarvittava osaaminen on hajaantunut eri puolille maailmaa, eri tieteenaloille ja eri yhteisöihin. Meidän kaikkien on istuttava alas saman pöydän ääreen ja keskusteltava siitä, miten kvanttilaskennan aikakausi voidaan toteuttaa oikealla ja oikeudenmukaisella tavalla. Jatkuva pyrkimys avoimeen tieteeseen ja avoimen lähdekoodin kehitykseen on ratkaiseva osa matkalla kohti maailmanlaajuista kvanttihyötyä. HPC-keskukset voivat edistää tätä kehitystä. Osallistu kanssamme keskusteluun!

Tämä on laajennettu versio jutusta, joka julkaistiin alun perin osana techUK Future of Compute Week -tapahtumaa 1.12.2022.

Mikael Johansson
Kirjoittaja tutkii, pohtii ja mahdollistaa kvanttiteknologioita CSC:llä.