null Kvanttiloikan alussa

Kuva: Adobe Stock.

Kvanttiloikan alussa

Vauhti on otettu ja ponnistus osui lankulle. Olemme kvanttiloikan alussa ja kvanttitietokone tulee mullistamaan tieteellisen laskennan, aikanaan. KvanttiKarelia-hankkeen helmikuussa järjestämä Kvantilla tulevaisuuteen -webinaari tarjosi hyvän katsauksen kvanttiteknologian nykytilaan.

Kvanttitietokoneet ovat näkyvästi pinnalla juuri nyt, eikä syyttä. Nyt tiedetään, että ne toimivat! Kärjistäen onkin sanottu, että kvanttitietokoneet ovat kehittyneet fyysikon unelmasta insinöörin painajaiseksi. Haasteita riittää. 

– Tiedämme jo miten kvanttitietokone toimii, ja nyt kilpaillaan siitä kuka rakentaa tehokkaamman koneen ja millä tavalla se rakennetaan isompaan kokoon, toteaa tutkimuspäällikkö Pekka Pursula Teknologian tutkimuskeskus VTT:stä.

VTT, IQM ja CSC osallistuvat tähän kilpailuun ja aloittivat joulukuussa 2020 suprajohtaviin kubitteihin perustuvan kvanttitietokoneympäristön rakentamisen. Tämän Suomen ensimmäisen 50 kubitin kvanttitietokoneen on määrä valmistua vuonna 2024. VTT ja IQM rakentavat konetta ja kehittelevät yhdessä CSC:n kanssa supertietokone-ekosysteemiä, johon kvanttitietokone aikanaan voidaan yhdistää.

Kvanttiloikan mahdollistaa huima kehitys kontrollin ja mittauksen tarkkuudessa. Itse kvanttilaskennan idea esitettiin jo 1980-luvun taitteessa, Paul Benioffin, Yuri Maninin ja Richard Feynmanin toimesta. Myös käytännön kvanttisovelluksilla on jo pitkä historia: piisirulle integroitu transistori, magneettikuvaus ja valokuidut (laser on kvanttimekaaninen ilmiö). Vauhtia on siis otettu jo kauan.

Ponnahduslaudalle asteltiin tositarkoituksella 2010-luvulla, kun D-Wave v. 2011 julkisti ensimmäisen “esikvanttikoneen”, kvanttijäähdyttimen (engl. quantum annealer). Tämän jälkeen hyppyjen korkeudet ovat nousseet hurjaa vauhtia. Vuonna 2019 Googlen kvanttitietokone saavuttikin kvanttiherruuden eli pisteen, jolloin kvanttitietokone laski jotain huomattavasti nopeammin kuin perinteiset supertietokoneet voivat koskaan tehdä. Vuonna 2020 kiinalainen Photonic Quantum Computer toisti tempun eri tekniikkaan perustuvalla kvanttilaitteella.

Kvanttimekaniikan kummalliset lait

Kvanttitietokoneessa jylläävät kvanttimekaniikan kummalliset lait. Kvanttikoneen bitti, kubitti, voi olla 1 ja 0 ja kaikkea siltä väliltä samanaikaisesti. Kun kubitit ovat tämän tapaisessa superpositiossa, voidaan kaikki mahdolliset syötteet suorittaa kerralla. Klassisessa supertietokoneessa ne joudutaan laskemaan yksitellen. Tähän perustuu kvanttitietokoneen huima nopeus. Teoriassa voisi käyttää useampiakin kvanttitiloja kuin kubittien 0 ja 1, esimerkiksi kutritti (engl. qutrit) koostuisi kolmesta eri tilasta.

Tuleva kvanttivallankumous mahdollistaa joidenkin tietyntyyppisten ongelmien erittäin tehokkaan ratkaisemisen. Kvanttitietokone antaa kuitenkin vain yhden vastauksen laskua kohden, riippumatta syötteiden määrästä. Se sopiikin parhaiten tehtäviin, jotka ovat luonteeltaan optimointitehtäviä eli yhden parhaan vastauksen löytämiseen isosta joukosta “vääriä” vastauksia. Klassinen esimerkki on kauppamatkustajan ongelma: mikä on lyhin reitti, joka yhdistää kaupungit, joissa tulisi käydä?

Vuoden 2021 innovaatioprofessoriksi valittu Mikko Möttönen (Aalto, VTT, IQM Chief Scientist) esittee Aalto-yliopiston QCD-laboratorion kvanttitietokonetta. Tämä kvanttitietokone koostuu huoneenlämmössä olevasta ohjauselektroniikasta, josta lähtee paljon piuhoja jäähdyttimen (kryostaatin) sisälle. Jäähdyttimen sisällä oleva kvanttiprosessori jäähdytetään 10 mK lämpötilaan, celsiusasteen sadasosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä. Kubitti sijaitsee piisirulla, ja kubittia  voidaan ohjata ja lukea luku- ja ohjauslinjoja pitkin. 

Ruutukaappaus professori Mikko Möttösen esityksestä. Kuvassa Aalto-yliopiston Quantum Computer and Devices -laboratorion kvanttitietokoneesta. Lisätietoja tämän koneen toiminnasta saa seminaarin tallentesta.

Kvanttitietokoneen valmistumisen jälkeen seuraava taso on miettiä miten niitä käytetään ja ohjelmoidaan. 

– Kvanttikone ohjelmoidaan kvanttiporteilla, käskyillä, jotka muokkaavat kubittien tiloja. Hasteena on käyttää kubittien ominaisuutta olla samanaikaisesti monessa eri tilassa hyödyllisellä tavalla. Käytännössä pitää myös yhdistellä sekä perinteisiä että kvanttialgoritmeja, koska kvanttikoneet yhdistyvät supertietokoneisiin. Niinkuin pelejä varten kehitetyistä grafiikkakorteista tuli osa supertietokoneita, tulevaisuudessa GPU-korttien rinnalle tulevat QPU:t, kertoo Mikael Johansson, CSC:n kvanttiteknologioiden strategi.

Kvanttiteknologia on piristysruiske korkean teknologian yrityksille

Paitsi tiede, myös yritykset hyötyvät tulevasta kvanttilaskennan ajasta. Käytännön esimerkkejä kvanttilaskennan hyödyntämisestä löytyy saksalaisen autoteollisuuden puolelta. BMW on optimoinut alihankintaketjuaan ja VW on laskenut liikenteen optimointia. Seminaarissa kvanttitietokoneen roolia yritysmaailmassa pohtivat elinkeinoministeri Mika Lintilä, Cristina Andersson (konsultti, Develor Productions), Tua Huomo (Executive Vice President, VTT) ja Olli Hatakka, KvanttiKarelia-hankkeen päällikkö.

– Olemme kokonaisvaltaisen murroksen ja valtavien mahdollisuuksien äärellä. Tekoäly, suurteholaskenta ja kvanttilaskenta ovat nousseet keskeisiksi tekijöiksi, kun ratkaistaan ihmiskunnan suurimpia ongelmia. Miten saada yritykset kiinnostumaan suurteholaskennasta tai GPU-kiihdytetystä laskennasta? Entä kvanttihyppy yrityksille?, kysyy seminaarin avauspuheen pitänyt Mika Lintilä.

Kvanttiteknologian ympärille muodostuu oma ekosysteemi, joka on aito piristysruiske korkean teknologian yrityksille. Myös pienet, alkutaipaleella olevat innovatiiviset yritykset olisi hyvä saada kehitykseen mukaan, vaikka kykyä suuriin investointeihin ei vielä olisi. 

– Erityisen tärkeää on rakentaa alan osaamista. Vahva perinteinen ohjelmisto-osaaminen on hyvä perusta ja alan koulutukseen tuleekin panostaa, painottaa Mikael Johansson.

– Kvanttiteknologia voi nostaa tuottavuutta ja luoda uusin innovaatioloikkia. Suomesta olisi mahdollista tehdä kvanttiohjelmistojen keskittymä, sanoo Tua Huomo.

Katso Kvantilla tulevaisuuteen -webinaari verkossa
 

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

 

 

Mikael Johansson

Kirjoittaja tutkailee ja mahdollistaa kvanttiteknologioita CSC:llä.

 

Tommi Kutilainen

Kirjoittaja on työskennellyt muutaman vuosikymmenen CSC:n viestinnässä ja on erityisen kiinnostunut kaikesta. Twitter: @TommiKutilainen

tommi.kutilainen (at) csc.fi