Suomi hakee kasvua datataloudesta ja digitalisaatiosta. Hallitusohjelmaan 2023–2027 sisältyy laaja-alaisen datatalouden teemakokonaisuuden toteutus. Kärkinä ovat kvanttilaskenta, langattomat verkot, terveysdata, kyberturvallisuus ja tekoäly.
Kajaanin CSC:n datakeskuksessa sijaitsee LUMI-supertietokone. LUMI on yhdistetty Otaniemessä VTT:llä sijaitsevaan kvanttitietokoneeseen. Suomalaisen kvanttitietokonekokonaisuuden lisäksi asiantuntijoilla on pääsy esimerkiksi USA:ssa sijaitseviin kvanttikoneisiin pilvipalveluna. Suomi investoi siis kvanttitietokoneiden laitekehitykseen.
Business Finland käynnisti pari vuotta sitten tutkimusohjelman, joka kohdistuu kvanttiohjelmistokehitykseen, -laskentaan ja –algoritmeihin ja niiden ensimmäisiin sovelluskohteisiin. Ohjelman perusteemana on: Mihin kvanttilaskentaa tarvitaan lähitulevaisuudessa ja kuinka kvanttitietokonetta ohjelmoidaan?
Oulun yliopiston tutkijat ovat ryhtyneet tutkimaan ja käytännössä myös ohjelmoimaan kvanttikoneita. Ohjelmointia vaikeuttaa ohjelmistojen alkeellisuus ja laskennan yhteys kvanttitietokoneen rakenteeseen. Tilanne muistuttaa prosessoritekniikan alkuaikoja ja ensimmäisten prosessorialustojen laiteläheistä ohjelmointia.
Tutkimme monitieteisesti kvanttitietokoneiden algoritmeja ja ohjelmistoja linkittyen kvanttitietokoneiden fysiikkaan ja toimintaperiaatteisiin. Kytkemme tutkimustyön mahdollisiin kvanttilaskennan sovellusalueisiin. Samalla koulutamme kvanttilaskennan ohjelmistopioneereja. Teemme tiivistä yhteistyötä yritysten, yliopistojen ja rahoittajien ja muiden sidosryhmien kesken.
Kvanttitietokoneiden koko ja perusoperaatioiden tarkkuus molemmat ovat vielä hyvin maltillisia. Parhaimmilla algoritmeilla ja laitteilla on mallinnettu materiaalien ominaisuuksia ja pieniä molekyylejä, mutta ei vielä mitään sellaista hyödyllistä, jota ei olisi pystytty tekemään tavallisella suurteholaskennalla. Kvanttilaitteet, -algoritmit ja -ohjelmistot kehittyvät nyt kuitenkin kiivaasti. Aika on otollinen perustutkimukselle, alkavalle soveltavalle tutkimukselle sekä start up -yrityksille.
Kvanttilaskennan ja tekoälyn kehityksessä on samankaltaisuutta. Molemmat perustuvat syvään ja pitkäjänteiseen matemaattiseen, fysikaaliseen ja tekniseen perustutkimukseen. Tekoäly on noussut pinnalle laskentatehon saavuttaessa tietyn rajan. Kvanttilaskennassa kriittinen ominaisuus on prosessoreiden perusoperaatioiden tarkkuus.
Kvanttitietokoneiden ja suurteholaskennan käyttökohteet muistuttavat toisiaan. Samalla tavalla kuin suurteholaskennalla tuotetaan isojen ilmastomallien ennustuksia tai mallinnetaan lääkemolekyylejä, kvanttikoneidenkin hyödylliset sovelluskohteet ovat haastavissa laskennallisissa ongelmissa.
Käytännön esimerkkinä kvanttilaskenta voi vaikuttaa finanssialaan tarjoamalla tehokkaampia tapoja riskienhallintaan ja markkina-analyysiin. Perinteiset tietokoneet kohtaavat haasteita monimutkaisten finanssimallien laskennassa. Kvanttitietokoneet voivat käsitellä näitä laskelmia tarkemmin, mikä mahdollistaa parempien sijoitusstrategioiden kehittämisen ja riskienhallinnan.
Myös ympäristöalan haasteet, kuten ilmastonmuutos ja luonnonvarojen kestävä käyttö, voivat hyötyä kvanttitietokoneiden laskentakyvystä. Erityisesti kestävien materiaalien ja kemiallisten prosessien mallintamisessa tai teollisten tuotantoketjujen optimoinnissa nähdään lähitulevaisuuden sovelluskohteita. Lääketieteellinen tutkimus lääkeaineiden suunnitteluun liittyen tulee hyötymään kvanttilaskennan eduista.
Kvanttitietokoneiden laskentakyky vaikuttaa myös salausmenetelmiin ja tietoturvaan. Akuuttiin arkihuoleen ei ole aihetta. Nykyisten ja lähitulevaisuudenkin kvanttitietokoneiden koko ja tarkkuus ovat vielä kaukana kyvystä purkaa tavallisia salausmenetelmiä. Kvanttikoneiden kehitys haastaa nykyisiä tietoturvajärjestelmiä, mutta myös avaa mahdollisuuksia kehittää uusia, kvanttikestäviä salausmenetelmiä. Teemme tutkimustyötä näihin aiheisiin liittyen.
Oulun kaupunki esitti elokuussa Naton tekoälyn, 6G:n ja kvanttiteknologioiden osaamiskeskuksen perustamista Ouluun. Kvanttitutkijalle tämä näyttäytyy erinomaisena aloitteena lisäten murrosteknologioiden välistä ristiinpölytystä, liittäen Oulua ja Suomea liittokunnan tutkimusverkostoihin ja luoden mahdollisuuksia yritystoiminnalle.
Naton kvanttiteknologiastrategian yhtenä johtoajatuksena on, että kvanttiteknologioiden kehitys luo uusia puolustuksellisia mahdollisuuksia ja uhkia, joiden ymmärtäminen on osa strategista kilpailua.
Kvanttitietokoneiden käyttöä eri tieteen ja teollisuuden aloilla kannattaa tutkia. Näin parannamme kykyämme ratkaista monimutkaisia laskennallisia ongelmia pitkällä aikajänteellä.
Jussi Paakkari
Oulun yliopiston Kvantum-instituutin tutkimusjohtaja.
Matti Silveri
Oulun yliopiston kvanttilaskennan ja teoreettisen materiaalifysiikan apulaisprofessori.