Näin toimii juuri valmistunut kvanttitietokone – Suomi teki ensimmäisten joukossa koneen, jonka monituhatkertainen laskentanopeus mullistaa lukuisat alat
Valmista tuli.
Teknologian tutkimuskeskus VTT ja suomalainen startup IQM saivat valmiiksi Suomen ensimmäisen kvanttitietokoneen.
Kyse on saavutuksesta, joka tuo Suomen kvanttiteknologian eturintamaan. Maailmalla on nimittäin vain kymmenisen muuta maata, jossa on tähän mennessä rakennettu toimiva kvanttitietokone.
VTT:n mikroelektroniikasta ja kvanttiteknologioista vastaava tutkimuspäällikkö Pekka Pursula pitää koneen valmistumista merkkipaaluna, joka osoittaa muulle maailmalle, että Suomessa on kvanttiteknologian huippuosaamista.
– Erityisen hienoa on, että se on tehty lähes kokonaan suomalaisten toimesta.
Suomesta ovat peräisin käytännössä koneen kaikki keskeiset komponentit, kuten jäähdytyslaitteisto, prosessori ja ohjelmistot.
Kvanttitietokoneiden laskentanopeus on monituhatkertainen nykyisiin supertietokoneisiin verrattuna. Vertailun vuoksi: supertietokoneet taas ovat miljoonia kertoja tehokkaampia kuin perinteiset kotitietokoneet.
Kvanttikoneen huima laskentanopeus tuo tulevaisuudessa lukuisia mullistuksia, joista moni kuulostaa vielä toistaiseksi pelkältä tieteiskirjallisuudelta.
Suomelle koneen valmistuminen lupaa kelpo tulevaisuutta paitsi kvanttiteknologioiden tutkimuksessa ja liiketoiminnassa, myös muilla suomalaisilla aloilla – jos tutkijoiden viestit vain otetaan tosissaan muussa yrityskentässä.
Pureudutaan kuitenkin ensiksi peruskysymykseen: mikä ihme on kvanttitietokone?
(Jos olet kiinnostunut enemmän koneiden käytännön hyödyistä ja Suomelle tulevista bisnesmahdollisuuksista, kannattaa hypätä seuraavan kappaleen yli.)
Ei kruuna tai klaava, vaan molemmat samaan aikaan
Tutkijoille toimivan kvanttitietokoneen valmistaminen on teknologinen huippusaavutus.
Meille maallikoille pelkästään sen toiminnan ymmärtäminen edes kaikkein karkeimmalla tasolla on jonkinlainen saavutus sekin. Yritetään silti VTT:n tutkijoiden kärsivällisellä avustuksella.
Perinteisessä tietokoneessa pelataan biteillä eli ykkösillä ja nollilla. Tietokoneiden mikrosiruissa raksuttaa miljoonia transistoreja, joiden läpi virta kulkee tai jotka sähkövirta ohittaa. Tuloksena on joko ykkönen tai nolla.
Nykyiset tietokoneet pystyvät laskemaan bittiensä avulla huiman määrän laskutoimituksia sekunnissa. Laskenta-aikaa tarvitaan silti valtavasti, kun ratkotaan monimutkaisia ongelmia esimerkiksi lääkekehityksessä, ilmastotutkimuksessa tai mallintaessa vaikkapa koronaviruksen kulkeutumista ilmassa.
Kvanttitietokoneessa käytössä on bittien sijaan kubitteja. Niissä ei ole ykkösiä ja nollia, vaan niiden yhdistelmiä.
– Yhdistelmiä eli todennäköisyyksiä, siis esimerkiksi 80 prosentin todennäköisyys arvolle yksi ja 20 prosentin todennäköisyys arvolle nolla. Teoriassa näitä yhdistelmiä on loputon määrä, selostaa Himadri Majumdar, VTT:n kvanttiohjelmien päällikkö.
Taustalla on atomia pienempien hiukkasten käsittämättömältä kuulostava maailma eli kvanttifysiikka. Hiukkaset eivät ole yhdessä paikassa, vaan monissa paikoissa samaan aikaan. Vasta hiukkasta havainnoidessa hiukkaset asettuvat tiettyyn paikkaan, kuten kuuluisassa kvanttifysiikan ajatusleikissä, jossa kissa on samaan aikaan kuollut ja elossa, kunnes havainnoimme sitä.
Kärsivällisyyttä!
Seurauksena on tietokoneen täysin erilainen laskentatapa. Jos yritetään esimerkiksi määritellä, mikä reitti on nopein, kun on kuljettava vaikkapa 20 kaupungin läpi, perinteinen tietokone laskee yksi kerrallaan kaikki mahdolliset vaihtoehdot joka kerta uudesta lähtöpisteestä kaikilla mahdollisilla järjestyksillä.
Kuopio, Mikkeli, Savonlinna, Kajaani, Jyväskylä, Oulu. Seuraavaksi sama, mutta lähtöpisteeksi Kuopion sijaan Mikkeli.
Esimerkkimme kaupunkien määrällä lasku olisi simppeli, mutta jos kyseessä olisi kaupunkien sijaan esimerkiksi molekyylien miljoonat yhdistelmät lääkeaineessa, nykytietokoneella laskenta-aika olisi helposti viikkoja tai kuukausiakin.
Kvanttitietokoneen kubitit sen sijaan pystyvät laskemaan reitin tai molekyyliyhdistelmät kertaheitolla lukemattomilla yhdistelmillä.
Se johtuu siitä, että ykkösten ja nollien sijaan lasketaan valtaisaa määrää niiden yhdistelmiä. Yhden lähtökaupungin sijaan laskennassa on siis samanaikaisesti kaikki mahdolliset lähtökaupungit ja kaikki mahdolliset vaihtoehdot reitin seuraaville kaupungeille.
Toisessa yleisessä havainnollistuksessa perinteisen tietokoneen bitti on kolikko. Se on aina joko ykkönen tai nolla eli kruuna tai klaava.
Kvanttitietokoneessa kubitti taas on kruuna, klaava tai mikä tahansa niiden välillä pöydällä yhä keikkuva kolikko eli todennäköisyyksien yhdistelmä.
Kvanttitietokoneet saadaan tosikäyttöön jo pian
Missä huippunopeasta laskennasta sitten on hyötyä?
Esimerkiksi lääkeaineiden ja kemianteollisuuden yhdisteiden kehitys nopeutuisi erittäin paljon, logistiikan optimointi vähentäisi valtavasti turhia kilometrejä, energian tuotanto ja jakelu tehostuisi. Ilmastonmuutoksen ja meteorologian tutkimus harppaisi jättiaskeleen, tietoturva paranisi valtavasti ja rahoituslaskelmat vähentäisivät potentiaalisesti riskejä finanssialalla.
Toistaiseksi käytännön sovellutuksia saadaan odottaa.
– Todellista hyötyä kvanttitietokoneista aletaan kuitenkin saada jo hyvin pian, alan yleisen arvion mukaan vuosina 2025–26, VTT:n Himadri Majumdar sanoo.
Nykyiset kvanttitietokoneet ovat vasta eräänlaisia prototyyppejä kehityksessä kohti loppukäyttäjille hyödyllistä konetta. Sama pätee Suomessa valmistettuun kvanttitietokoneeseen.
Oleellista on, että niillä on kuitenkin jo kyetty ratkomaan huippunopeita laskutoimituksia.
– Kuuluisin tapaus on vuodelta 2019, jolloin Google ilmoitti laskeneensa kvanttitietokoneella 200 sekunnissa ongelman, johon olisi mennyt supertietokoneella viikkoja, kuukausia tai jopa vuosia, VTT:n Pekka Pursula sanoo.
Majumdar toteaa, että 2030-luvulla kvanttilaskennan hyödyt alkavat näkyä jo laajasti yhteiskunnassa ja ihmisten arjessa. Vielä pidemmälle mentäessä edessä on sovellutuksia, joista ei nyt osata uneksiakaan.
Suomessa kvanttiteknologiat ovat jo ehtaa bisnestä
Suomalainen kvanttitietokone vie VTT:n Himadri Majumdarin ja Pekka Pursulan mukaan kotimaista kvanttiteknologian tutkimusta, opetusta ja alan yrityksiä voimakkaasti eteenpäin.
Ala kasvaa kansainvälisesti useita kymmeniä prosentteja vuodessa, joten bisnesmahdollisuuksia riittää.
Kvanttiteknologioiden parissa työskentelee jo Suomessa suunnilleen 15 firmaa, joiden yhteenlaskettu liikevaihto lähentelee sataa miljoonaa euroa. Lisäksi on kasvava määrä startup-yrityksiä ja yliopistoilla syntyy uutta yritystoimintaa.
Nopeasti kasvavia yhtiöitä ovat esimerkiksi jäähdyttimiä valmistava Bluefors sekä kvanttitietokoneen rakentanut IQM, jonka tavoitteena ovat loppuasiakkaiden tiloihin sijoitettavat kvanttitietokoneet.
Majumdarin sanoo, että Suomessa on vahvaa osaamista sekä kvanttiteknologioiden komponenttivalmistuksessa että ohjelmistokehityksessä.
– Uusia firmoja syntyy todennäköisesti etenkin ohjelmistopuolelle, jossa kehitetään esimerkiksi algoritmejä kvanttilaskentaan.
Kilpailu alalla on todella kovaa ja suurvallat laittavat tällä hetkellä miljardeja kvanttitietokoneiden kehittämiseen. Suomen valtio rahoitti kvanttitietokoneen rakentamista runsaalla 20 miljoonalla eurolla.
Majumdar ja Pursula painottavat, että Suomella on silti paljon mahdollisuuksia, koska menestys alalla edellyttää huippuosaajia. Toimivan kvanttitietokoneen valmistus on siitä tärkeä osoitus.
Keväällä VTT:n sekä Helsingin ja Aalto-yliopistojen perustama InstituteQ alkoi koordinoida alan tutkimusta, koulutusta ja innovaatioita. VTT:n yhteydessä toimiva BusinessQ-verkosto puolestaan koordinoi yritysyhteistöitä.
Taustalla on vuosikymmenien tutkimustyö esimerkiksi suprajohteissa ja kylmäfysiikassa. Sitä tarvitaan, koska kvanttitietokoneen prosessori jäähdytetään hyvin lähelle absoluuttista nollapistettä eli miinus 273 celsiusastetta.
Kvanttitietokoneiden ja muiden kvanttiteknologioiden kehittämisessä liikkuu suurien mahdollisuuksien vuoksi tietysti paljon myös yksityistä rahaa. Suomalaisista sitä on onnistunut saamaan etenkin IQM, joka on kerännyt sijoittajilta yli 70 miljoonaa euroa.
Muu suomalainen yrityskenttä hyötyy – jos toimitaan ajoissa
Huomattavaa kilpailuetua on VTT:n Pekka Pursulan mukaan luvassa myös itse kvanttialan ulkopuolisille firmoille.
Siis tulevien kvanttitietokoneiden loppukäyttäjille.
Edellytyksenä kuitenkin on, että kvanttiteknologioiden hyötyjä on ryhdyttävä selvittämään heti, vaikka niiden käyttöä saadaankin vielä odottaa.
– Vaikka vielä ei päästä soveltamaan, käytännön hyödyntämistä tulisi alkaa jo opettelemaan. Sitten suomalaisyritykset voivat olla eturivissä, kun kvanttilaskenta tulee laajempaan käyttöön, Pursula sanoo.
VTT:llä tätä varautumista kutsutaan kvanttiennakoinniksi.
Suomessa tämän tyyppistä ennakkovarautumista tekee jo esimerkiksi Osuuspankki (siirryt toiseen palveluun), jossa selvitetään muun muassa kvanttilaskennan hyödyntämistä asuntojen hintojen arvioinnissa.
Pursula toivoo, että samaan ryhdyttäisiin myös esimerkiksi kemianteollisuudessa ja lääkeyhtiöissä.
VTT ja IQM ryhtyvät heti rakentamaan toista kvanttitietokonetta.
Nykyisessä kvanttitietokoneessa on viisi kubittia eli perinteisen tietokoneen bitin huippputehokasta korvaajaa. Vuoteen 2024 mennessä VTT:n ja IQM:n tavoitteena on rakentaa 50 kubitin tietokone.
Lue lisää: