Kvanttitietokoneiden kilparadalla

Kilpa-autojen tavoin kvanttitietokoneet ovat erittäin tehokkaita, rajatuissa ympäristöissä. Aivan kuten formulamestarit rikkovat kierrosaikaennätyksiä vain hyvin hoidetuilla, tarkoitukseen rakennetuilla radoilla, kvanttitietokoneet ovat mainioita sellaisten ongelmien ratkaisemisessa, jotka soveltuvat niiden ainutlaatuisille kvanttiominaisuuksille. Tehokkaimmallakaan formula-autolla ei ole asiaa mökkitielle ja kvanttitietokone on erinomaisen sopimaton valinta vaikkapa verolaskuriksi.

Rajoitetusta ongelmatyyppivalikoimasta huolimatta, kvanttitietokoneiden tarjoama tehonkasvu yleiselle laskennalliselle tieteelle on vallankumouksellinen. Kvanttilaskimet kärsivät tällä hetkellä kuitenkin toisesta, todellisesta ongelmasta. Vaikka ne pystyvät suorittamaan joitakin tavallisille tietokoneille aivan liian monimutkaisia laskuja, kvanttikoneet hyytyvät nopeasti. Niiden suorittamat laskut ovat siksi liian lyhyitä ollakseen hyödyllisiä. Supernopean futuristisen kilpa-automme akut tyhjenevät aivan liian vikkelään; parin metrin ajon jälkeen auto pysähtyy ja sitä on ladattava. Tämä ei tietenkään ole kovin hyödyllistä kilpa-ajossa, kun rata pitäisi kiertää useita kertoja. Lisäksi kilpa-auton/kvanttitietokoneen ohjaus ja hallinta on hankalaa. Pari kertaa vasemmalle ja oikealle käännyttyä, ratti irtoaa ja tekniikan ihme kaatuu.

Heikko akun kesto ja huono ohjattavuus ovat kuitenkin vain tilapäisiä ongelmia, jotka voidaan ratkaista insinööritaidolla. Alusta huippunopealle koneelle on jo paikallaan, nyt on vain päästävä lastentaudeista eroon. Tarkastellaanpa seuraavaksi muutamaa aluetta, joihin ja joilla kvanttilaskenta vaikuttaa jo nyt.

Tiedemaailma ja teollisuus

Kvanttilaskenta ja kvanttiteknologiat yleensä ovat loistavia esimerkkejä siitä, missä tiedemaailman ja teollisuuden välinen yhteistyö ja keskustelusuhde edistää teknologian kehitystä kiihtyvällä tahdilla. Kvanttitietokoneiden ja kvanttilaskennan kehittämisellä on vankka perusta perustutkimuksessa. Kvanttilaskennan mahdollisuudet tunnustetaan myös teollisuudessa. Kvanttilaitteisto- ja ohjelmistoyritykset kukoistavat akateemisten toimijoiden rinnalla, kaikkien valmistautuessa tulevaan kvanttivallankumoukseen. Laskentatehon kasvun hyödyntämiseksi läpi yhteiskunnan, on tärkeää aktivoida myös uuden teknologian todelliset loppukäyttäjät, joille kvanttilaskenta on työkalu, jonka avulla saavutetaan joku tietty päämäärä. Ongelmien muotoilu huomispäivän kvanttitietokoneille sopivaan muotoon vie aikaa. Mitä aikaisemmin aloitat, sitä kilpailukykyisemmän etumatkan saat.

Lääketieteellinen tutkimus

Lääketieteellinen tutkimus ja lääkekehitys mainitaan usein kvanttilaskennan sovelluksista puhuttaessa. Hyvästä syystä. Yksi kvanttitietokoneille erityisen soveltuvista ongelmista on elektronien monimutkaisen tanssin mallintaminen ja ymmärtäminen. Tämä kvanttimekaniikan lakien ohjaama tanssi tarjoaa liiman, joka sitoo atomit yhteen, täten muodostaen meitä ympäröivät molekyylit ja materian. Vuorovaikutus lääkemolekyylien ja kehomme proteiinien sekä entsyymien välillä on modernin lääketieteen kulmakiviä. Nämä samat vuorovaikutukset ovat kaikkien muiden elektronirakenneongelmien ytimessä, aina aurinkokennoista ja uusista akuista kestävän kehityksen kemialliseen katalyysiin. Alkuperäinen sysäys kvanttitietokoneiden rakentamiselle tulikin juuri tarpeesta nopeuttaa kvanttimekaanisten ongelmien ratkaisua.

Digitaalinen turvallisuus 

Suuri osa nykyisestä salauksesta perustuu matemaattisiin ongelmiin, jotka luonteensa vuoksi ovat käytännössä mahdottomia ratkaista perinteisillä tietokoneilla. Yksi tällainen ongelma on suurten kokonaislukujen jako alkulukutekijöihin. Pienet kokonaisluvut ovat helppoja: 15 on 3:n ja 5:n tulo. Kun jaettava luku on satoja numeroita pitkä, tehokkaimmatkin supertietokoneet tarvitsisivat moninkertaisesti maailmankaikkeuden iän verran aikaa ratkaisun löytämiseksi. Kvanttitietokoneille tämä tehtävä on helppo, kuten Peter Shor osoitti jo vuonna 1994. Tämä on todellinen uhka digitaaliselle turvallisuudelle. Ongelma on melko samanlainen kuin kuuluisassa ”vuosi 2000” bugissa. Olemme olleet tietoisia uhasta jo pitkään. Tiedämme myös, kuinka se voidaan korjata. Verrattuna Y2K-bugiin, kvanttiuhka salaukselle on kavalampi, koska tarkka määräaika, johon mennessä korjaukset on tehtävä, puuttuu. Kvanttiturvallisen salauksen käyttöönoton siirtäminen tulevaisuuteen on näin ollen liian helppoa, vaikka digitaalisen yhteiskuntamme turvallisuus vaatii toimia jo nyt.

Kvanttisupertietokoneet

Koska kvanttitietokoneet eivät ole yleiskäyttöisiä laskimia, ne eivät korvaa supertietokoneita, vaan sulautuvat niihin. Yhdessä nämä kaksi teknologiaa tarjoavat äärimmäisen tehokkaan työkalun tieteelle, mahdollistamalla ratkaisuja laskennallisiin ongelmiin, joihin nykyään on täysin mahdotonta tarttua. Odotettu loikka laskentakapasiteetissa on itse asiassa niin valtava, että on vaikeaa jo edes kuvitella, mitä kvanttitehostetuilla supertietokoneilla voitaisiin tehdä! Ensimmäinen askel tässä on perustaa suurteho- ja kvanttilaskennan hybridi-infrastruktuuri, avoinna akateemisille ja kaupallisille loppukäyttäjille. Ensimmäisiä yhteyksiä supertietokoneiden ja kvanttitietokoneiden välillä on jo pystytetty. Pohjoismainen kvanttivirstanpylväs saavutettiin pari viikkoa sitten, kun yhdistimme Suomessa sijaitsevan LUMI supertietokoneen ja Ruotsissa sijaitsevan Chalmersin/Wallenberg-säätiön kvanttiteknologiakeskuksen QAL 9000 kvanttitietokoneen, sekä suoritimme ensimmäisen valtakuntien rajat ylittävän kvanttialgoritmin. Seuraavaksi mahdollistetaan uutta tiedettä!

Keskustelu jatkuu Teknologia 22 messuilla

Kuten saatoit arvata, yllä olevia aiheita ei ole valittu täysin sattumanvaraisesti. Tietotekniikan ja Elektroniikan Seura TiES järjestää kvanttilaskentaa käsittelevän session tämän vuoden Teknologia-messuilla. Allekirjoittanut vetää kaksituntista tapahtumaa, jonka pääosassa on maineikas rivistö tähtiesiintyjiä. Cristina Andersson, Develor Productions, puhuu syistä miksi yritysten pitäisi tarttua kvanttilaskentaan hetimiten. Sanna Lauslahti, Lääketeollisuus ry., pohtii, kuinka kvanttilaskentaa voidaan hyödyntää lääketieteellisessä tutkimuksessa. Jorma Mellin, SSH Communications Security, opastaa meidät kvanttiturvalliseen digitaaliseen tulevaisuuteen. Ilpo Vattulainen, Helsingin yliopisto, maalaa kuvan kvanttikiihdytetyn laskennallisen mallinnuksen tarjoamista mahdollisuuksista. Lämpimästi tervetuloa mukaan livekeskusteluun Helsingin Messukeskuksessa 3.5.

Harjoituskierrokset on ajettu. Kvanttikilpa-autot seisovat lähtöruuduissa, valmiina ensimmäiseen oikeaan kilpailuunsa. Nyt on aika varata eturivin paikat!

Julkaistu maailman kvanttipäivänä 14.4.2022

Mikael Johansson
Kirjoittaja tutkailee, pohtii ja mahdollistaa kvanttiteknologioita CSC:llä