Kun yksi laskutapa ei riitä
Hybridilaskennassa supertietokone, tekoäly ja kvanttitietokone ratkovat yhdessä ongelmia, joihin mikään niistä ei yksin pysty. Suomessa hybridilaskentaa on ollut tarjolla jo vuodesta 2022, jolloin maamme ensimmäinen kvanttitietokone kytkettiin LUMI-supertietokoneeseen.
Ihmiset oppivat hybridilaskennan jo lapsena, teknotermiä tietenkin käyttämättä. Päässä laskennan avuksi otetaan ensin sormet, sitten kynä ja paperi ja lopulta usein laskin, jossain muodossa. Kaikkia välineitä käytetään rinnakkain, ja kuhunkin tehtävään valitaan siihen sopivin.
Tieteellisessä laskennassa on käynyt samoin. Supertietokoneet ovat ratkoneet ihmisille mahdottomia laskutehtäviä jo yli 60 vuoden ajan, ja kolmessa kymmenessä vuodessa niiden laskentateho on kasvanut miljoonakertaiseksi. Tämä melkeinpä uskomaton kasvu on yksi nykyisen tekoälyn perusta. Vaikka konsepti kehitettiin jo 1950-luvulla, vasta laskentalihasten tarpeeksi suuren kasvun myötä tuli mahdolliseksi käsitellä dataa skaalassa, joka sai aikaan kvalitatiivisen hypyn tekoälyn kyvykkyydessä. Yhdessä internetiin kertyneen valtavan datamäärän kanssa siitä syntyi maailmaa mullistava teknologia.
Tekoäly on muuttanut jopa itse tieteen tekemistä. Monissa mallinnusongelmissa ei enää tarvitse ratkoa jokaista yhtälöä erikseen, vaan tekoäly löytää oikotien. Oppimalla valtavista aineistoista, joko historiallisesti kerääntyneistä havainnoista tai perinteisillä simulaatioilla tuotetuista, se voi ennustaa esimerkiksi säätä minuuteissa tuntien sijaan, usein yhtä tarkasti tai jopa tarkemmin.
On kuitenkin ongelmia, joissa tekoäly ei löydä luotettavia oikoteitä. Perinteistä superlaskentaa, jossa yhtälöt ratkaistaan sellaisinaan, tarvitaan jatkossakin. Ja sitten on ongelmia, joihin eivät edes tulevaisuuden supertietokoneet pysty löytämään tarpeeksi luotettavia vastauksia, koska laskettava työ kasvaa niissä räjähdysmäisesti ongelman koon mukana. Näihin tarvitaan jotain aivan muuta.
Kvanttilaskenta superlaskennan ja tekoälyn rinnalle
Haaste tunnistettiin jo varhain. Nobel-palkittu fyysikko Richard Feynman kiteytti sen vuonna 1981:
”Luonto ei piru vie ole klassinen, ja jos haluat simuloida luontoa, sinun on parasta tehdä se kvanttimekaanisesti.”
Feynman viittasi tässä kvanttimekaniikan yhtälöiden ratkomiseen, mikä tavallisille tietokoneille on usein ylivoimaisen hidasta. Aihe kuulostaa ehkä esoteeriselta, mutta kvantti-ilmiöt ovat monen arkisen teknologian takana, aurinkopaneeleista teflonin tarttumattomuuteen.
Kvanttitietokone hyödyntää näitä samoja ilmiöitä laskennassa. Sen sijaan, että laskenta perustuisi ihmisen keksimään binäärijärjestelmään, jossa ykkösiä ja nollia ohjataan tietokoneen muistissa, kvanttilaskenta nojaa luonnon omaan ”käyttöjärjestelmään”. Siinä kubitit, kvanttikoneen informaatioyksiköt, voivat olla nollan ja ykkösen yhdistelmässä ja kytkeytyä toisiinsa. Laskenta ohjaa näitä yhdistelmiä niin, että väärät vaihtoehdot kumoavat toisiaan ja oikeat vahvistuvat, vähän kuin aallot. Kvanttilaskenta tarjoaa siis täysin erilaisen tavan suorittaa laskuja. Tämä on joihinkin ongelmiin huomattavasti tehokkaampaa ja toisiin täysin sopimatonta.
Hybridilaskennassa on kyse siitä, että oikeaan ongelmaan valitaan oikea menetelmä, aivan kuten ihminen valitsee sormien, kynän ja laskimen välillä. Lähes mikä tahansa mallinnusongelma koostuu osista, joita kannattaa lähestyä eri tavoin tehokkuuden, luotettavuuden tai energiankulutuksen näkökulmasta. Supertietokone simuloi, tekoäly oppii ja ennustaa. Kvanttitietokone laskee sen, mihin tavallinen tietokone ei ongelman monimutkaisuuden takia taivu, mutta mihin kvanttilogiikka sopii.
Tuulivoimalan magneetin voima syntyy elektronien yhteispelistä, jonka laskeminen on tavallisille tietokoneille vaikeaa.
1. Tekoäly arvioi nopeasti materiaalin elektronirakenteen.
2. Supertietokone tarkentaa arviota Schrödingerin yhtälön likiratkaisulla ja rajaa vaikeimman osan.
3. Kvanttitietokone laskee vaikeimman osan tarkemmin. Samanaikaisesti tekoäly tunnistaa kvanttitietokoneen virheet, jotta ne voidaan korjata.
4. Supertietokone liittää tuloksen koko materiaaliin.
Vaiheita 2–4 toistetaan, kunnes tulos vakiintuu.
Suomi hybridilaskennan keihäänkärkenä
Kansallisen FiQCI-kvanttilaskentainfrastruktuurin puitteissa VTT:n Helmi kytkettiin LUMIin vuonna 2022, ja Suomi oli näin maailman ensimmäisiä maita, joissa kvanttitietokone ja supertietokone yhdistettiin. Sittemmin LUMI on yhdistetty myös VTT:n Q50:een, Aalto-yliopiston Q20:een ja Tšekissä sijaitsevaan yhteiseurooppalaiseen VLQ-kvanttitietokoneeseen.
Lisää on tulossa. IQM:n rakentama kansallinen 150 kubitin Q150-kvanttitietokone on tätä kirjoitettaessa juuri purettu pakkauksestaan VTT:n tiloissa Otaniemessä. Nykyiset kvanttitietokoneet tekevät kuitenkin vielä liikaa virheitä ratkaistakseen käytännön ongelmia tavallisia koneita paremmin. Siksi ratkaiseva askel on LUMI-tekoälytehtaan yhteyteen, CSC:n Kajaanin datakeskukseen tuleva LUMI-IQ, joka tuo käyttöön virhesietoisemmat kubitit ja on samalla kiinteä osa EU:n suurinta tekoälytehdasta.
Suomalaisilla tutkijoilla ja yrityksillä on jo nyt käytössään seuraavan sukupolven laskentaympäristö, jonka kautta voi perehtyä ja valmistautua tulevaisuuteen. Tulevaisuuteen, jossa superlaskenta, tekoäly ja kvanttilaskenta yhdessä ratkovat ongelmia laidasta laitaan, universumin ihmeistä tuulivoimaloiden magneettien kautta taskussa kulkevan puhelimen akkuun.
Kuva: Adobe Stock
Artikkeli on julkaistu alunperin Tivia Newsin marraskuun 2026 numerossa.
Mikael Johansson
Mikael Johansson mahdollistaa CSC:llä kvanttilaskennan ja -kommunikaation käyttöönottoa ja kehittää kvantti-infrastruktuuria yhtenäisenä osana suurteholaskennan ekosysteemiä.
