Kvanttiteknologia on muuttamassa maailmaa, ja monella suurella yrityksellä on jo olemassa oma kvanttitiiminsä tai -analyytikkonsa, jonka tehtävänä on varmistaa yrityksen kilpailukyky kvanttiaikakaudella siirryttäessä.
Myös maailman maat kilpailevat kvanttiherruudesta keskenään. Kiina on kanadalaisen tutkimusorganisaatio CIFARin vuoden 2021 tutkimuksen mukaan käyttänyt kvanttikehitykseen jo yli 15 miljardia dollaria. Myös monen muun toimijan, kuten Yhdysvaltojen, Intian ja EU:n sijoitukset alaan ovat miljardiluokkaa.
Panokset ovat suuret, sillä kvanttiteknologialla on kyky ratkaista vaikeita optimointiongelmia, tehostaa teollisuutta ja simuloida esimerkiksi finanssimarkkinoiden ja ilmaston toimintaa. Lisäksi on jo osoitettu, että tarpeeksi suurella kvanttitietokoneella ajettu Shorin algoritmi kykenisi murtamaan nykylaitteiden salausjärjestelmiä hetkessä.
Mistä kvanttiteknologiassa siis on kyse ja miten sen tulevaan nousuun voi valmistautua? Entä ketä kvanttiteknologian kehitys koskee ensimmäisten joukossa? Mitä kvanteista pitäisi työelämässä ymmärtää?
IT Insider haastatteli VTT-instituutin kvanttiprojekteja johtavaa tutkimuspäällikkö Pekka Pursulaa ja kvanttialgoritmeja kehittävän Quanscientin toimitusjohtaja Juha Riippiä kvanttialan kehityksen nykytilasta ja sen tarjoamista mahdollisuuksista suomalaiselle yhteiskunnalle, teollisuudelle ja yrityksille.
VTT on ollut mukana kehittämässä Suomen ensimmäisiä kvanttitietokoneita: vuonna 2021 valmistunutta 5-kubittista Helmiä ja vastikään lanseerattua 20-kubittista kvanttikonetta, joka rakentui yhteistyössä suomalaisen kvanttitietokonevalmistaja IQM:n kanssa.
Vuoden 2021 syyskuussa Riipin ja kolmen muun teknologia-ammattilaisen perustama Quanscient taas kehittää pilvilaskentaan perustuvien monifysiikkasimulaatioiden ohella kvanttialgoritmeja, jotka voivat tehdä fysiikkasimulaatioista huomattavasti tehokkaampia ja soveltuvampia teolliseen tuotekehityskäyttöön.
Artikkelin ensimmäisen alaotsikon alla käsitellään hieman kvanttitietokoneiden fysikaalisia perusteita, minkä jälkeen pureudutaan konkreettisemmin kvanttisovelluksiin ja Suomen potentiaaliin olla kvanttialan huipputoimija.
Artikkelin lopusta löydät asiantuntijoiden parhaat vinkit yrityksille, jotka ovat kiinnostuneita kvanttiteknologian hyödyntämisestä omassa toiminnassaan.
Kohinan hierto kengässä – kvanttimaailman perusongelmat
Kvanttiteknologian fysikaalinen perusta on tietysti kvanttifysiikassa, joka sisältää hiukkasten atomitason käyttäytymisen mallintamista ja tutkimista. Kvanttifyysikoilla on ollut jo yli sadan vuoden ajan tiedossa, etteivät hiukkaset sijaitse kvanttisysteemeissä vain yhdessä paikassa, vaan ne voivat olla useassa paikassa samaan aikaan tietynlaisena probabilistisena aaltona. Tähän havaintoon perustuu myös kvanttitietokoneiden voima.
Useiden matemaattisten ongelmien laskentahaarat, jotka pitäisi tavanomaisella tietokoneella tutkia eksplisiittisesti, voidaan ottaa huomioon viemällä ongelma kvanttitasolle, jossa väärät laskentahaarat saadaan fiksusti koodatun kvanttisysteemin avulla mitätöityä ilman eksplisiittistä tutkimista.
Ei ole yllättävää, että maailman kuuluisimman kvanttifyysikko-nobelisti Richard Feynmanin mukaan kvanttifysiikkaa ei ymmärrä kukaan.
Kvanttihyödyn saavuttamisen tiellä on myös yhä ongelmia. Minkä tekijöiden vuoksi kvanttivallankumous ei ole jo alkanut ja muuttanut ihmisten tapaa ratkoa laskennallisia ongelmia?
Jarruna toimii kvanttitason ilmiöiden virheherkkyys. Kvanttitietokoneet kärsivät kvanttisysteemeille ominaisesta kohinasta, signaalien epähalutusta satunnaisesta vaihtelusta, joka aiheuttaa virheitä kvanttialgoritmien suorittamisessa. Tämä aiheuttaa kvanttisysteemiin tietoisesti koodatun tärkeän informaation katoamista, dekoherenssia.
Dekoherenssi on tällä hetkellä suurin kivi kvanttifyysikoiden kengissä. Kvanttitason laskentayksiköt, kubitit (quantum bit), eivät kykene vielä täydellisiin suorituksiin, vaan niissä tapahtuu tällä hetkellä virheitä yleisesti ottaen hieman alle prosentin todennäköisyydellä.
Puhutaan NISQ-aikakaudesta (Noisy Intermediate Scale Quantum), joka kuvaa kohinan aiheuttamia rajoitteita ja kvanttitietokoneiden kokoa.
Kubitteja on nykyisissä kvanttitietokoneissa muutamista muutamiin satoihin. Sadoilla kubiteilla voitaisiinkin saavuttaa jo paljon, jos ne olisivat vakaita.
Karkeasti NISQ-aikakauden perusongelmaa voidaan Pursulan mukaan verrata inflaation kumulatiivisuuteen: prosentin inflaatio ei vielä vie rahalta arvoa, mutta 100-kertaistettuna se alkaa aiheuttaa melko merkittäviä ongelmia maksukyvylle. Samalla tavalla kvanttitietokoneen antaman vastauksen arvo vähenee tai katoaa kokonaan virheiden kasaantuessa.
Kubittien laatu ja määrä kuitenkin paranevat huimaa vauhtia, ja siksi on hyvä alkaa valmistautua päivään, kun kvanttiteknologia siirtyy yhä selkeämmin teoriasta käytäntöön ja muuttaa ihmiskunnan tavan ratkaista monimutkaisia ongelmia monissa eri käyttökohteissa.
Kvanttihyöty saavutetaan jo muutaman vuoden päästä
Vaikka merkittävä disruptio onkin vielä edessä, kvanttiteknologian sovelluskohteita on jo löydetty. Esimerkiksi BMW:n sensorien asettelun optimoinnissa käytettiin onnistuneesti kvanttitietokonetta kesällä 2021.
Lisäksi Riipin mukaan teknologia-alalla on kehitetty monia kvanttifysiikan piirteistä inspiroituneita klassisia algoritmeja, joilla on osoitettu olevan hyötyjä verrattuna vanhoihin algoritmeihin.
Merkittävintä kuitenkin on, että kvanttihyöty – selkeä parannus klassiseen tapaan ratkaista ongelmia – saavutetaan spesifeissä ongelmissa Riipin ja Pursulan mukaan tällä vuosikymmenellä.
Quanscientin tavoitteena on ajaa kvanttitietokoneella vuoden 2025 alussa kvanttialgoritmi, jonka nopeus koettelee jo tavanomaisen tietokoneen huippusuorituskykyä. Tämän jälkeen yrityksen tavoitteena on kehittää kompleksiin virtausmallinnukseen soveltuva kvanttialgoritmi, joka tarjoaisi eksponentiaalisen kvanttihyödyn: yhden kubitin lisäyksellä ratkaistavan tehtävän koko voidaan kaksinkertaistaa.
Myös suuret yritykset valmistautuvat jo kvanttihyödyn saavuttamiseen ja pyrkivät puristamaan kvanttikoneista taloudellisen hyödyn irti ensimmäisten joukossa.
Rolls-Royce kehittää kvanttipiirejä simuloidakseen suihkumoottorien suorituskykyä, Roche tutkii kvanttitekoälyn potentiaalia lääketieteellisen kuvantamisen ja diagnostiikan välineenä ja JP Morgan Chase pyrkii valjastamaan kvanttitekoälyn voiman finanssimarkkinoiden riskeiltä suojautumiseen.
Yleinen harhaluulo on, että kvanttitietokoneet ovat samalla syrjäyttämässä klassiset tietokoneet. Tähän asiantuntijat eivät usko. Riipin mukaan kvanttitietokoneet vaativat klassisen tietokoneen rinnalleen vähintään käyttöliittymäksi.
Todellisuudessa kvanttitietokone ei myöskään tuo merkittävää nopeutusta joka ikiseen laskutoimitukseen, ja se myös hyötyy klassisen laskennan tuesta, sanoo Pursula.
Kvanttitietokoneiden ensimmäiset hyödyntäjät
Kvanttihyöty on vielä monella alalla muutaman vuoden tai vuosikymmenen päässä, mutta tutkimus kehittyy jatkuvasti ja kvanttivetoisten käyttökohteiden määrä lisääntyy asiantuntijoiden mukaan valtavaa vauhtia.
Kvanttihyöty ei tosin näy ensimmäisenä arkisissa kohteissa. Yritykset pyrkivät ratkaisemaan kvanttimenetelmillä ensin monimutkaisia matemaattisia ongelmia, joista valtaosa ihmisistä on tuskin ikinä kuullutkaan.
Ei siis kannata odottaa, että iPhoneQ on ensimmäisten kvanttisovelluskohteiden joukossa.
Ensimmäiset todelliset asiakkaat valikoituvat Pursulan mukaan sen perusteella, minkä alan ongelmissa nähdään konkreettinen tehokkuusparannus kvanttitietokoneiden avulla.
Vahvoja ehdokkaita ovat Riipin ja Pursulan mukaan materiaali-, prosessi-, akku- sekä lääketeollisuus, finanssiala ja logistiikka-ala. Lisäksi Riipin mukaan Quanscientin erikoisosaamiseen kuuluvat fysiikkasimulaatiot, etenkin virtausmallinnusongelmat, tarjoavat ensimmäisten käyttökohteiden joukossa kvanttihyötyä.
Quanscientillä on siis jo olemassa hyvä pohja tuleville kvanttiasiakkaille, joihin lukeutuu muun muassa fuusioenergiaa ja MEMS-teknologiaa, kuten antureita, kehittäviä toimijoita.
Quanscient pyrkii Riipin mukaan lopulta yhdistämään klassiset menetelmät kvanttilaskentaan ja tarjoamaan asiakkailleen hybridiratkaisuja, joilla on selkeitä hyötyjä esimerkiksi lentokonevalmistajien tuotekehitysprosessissa.
Pian yritys löytää asiakkaita myös laajemmin aloilta, joilla pyritään minimoimaan kulkuneuvojen, kuten autojen, ilmanvastusta. Kiinnostuneita osapuolia ovat myös meteorologit ja ilmastonmuutoksen tutkijat.
Suomen kvanttiekosysteemi: kaukana lastenkengistä
Suomella on Riipin ja Pursulan mukaan vahva kvanttiekosysteemi, jonka kärkitekijänä on Euroopan johtava kvanttitietokonevalmistaja, espoolainen IQM.
Suomalainen QuantrolOx taas kehittää ohjelmistoja kvanttitietokoneiden automatisointiin, Algorithmiq yrittää ratkaista biotieteiden ongelmia hyödyntämällä kvanttilaskentaa ja SemiQon pyrkii tekemään kvanttikomponenttien tuotantoprosessista helpomman sekä halvemman kvanttipiisirujen avulla.
Osaltaan vahvasta kvanttiosaamisesta johtuen alan ympärillä on jo nyt Riipin mukaan suomalaista sijoittajakiinnostusta, ja Quanscient onkin saanut toistaiseksi koko rahoituksensa – yhteensä noin 5 miljoonaa euroa – Suomesta.
“Suuremmista summista puhuttaessa katseet kannattaa kuitenkin siirtää ulkomaille”, Riippi sanoo.
Näin teki Riipin mukaan esimerkiksi IQM, joka on kerännyt yhteensä jo yli 200 miljoonaa euroa rahoitusta ulkomaisilta sijoittajilta.
Myös tutkimusorganisaatiot ja yliopistot ovat saaneet Pursulan mukaan hyvin rahoitusta Suomessa. Hallitus lupasi aiemmin tänä syksynä 70 miljoonaa euroa kvanttiteknologian valtiolliseen kehittämiseen.
Rahallisella panostuksella on oiva mahdollisuus nostaa Suomi tulevaisuuden kvanttikehittäjien kärkeen, asiantuntijat uskovat. Kvanttiraudan kehittämiseen otollinen infrastruktuuri on Pursulan mukaan Suomessa jo olemassa.
Esimerkiksi helsinkiläinen Bluefors on kansainvälisesti merkittävä jäähdytyslaitteiden valmistaja, joka hyötyy lähes absoluuttiseen nollapisteeseen viilennettävien suprajohtavien kvanttitietokoneiden yleistymisestä.
“Suomessa on pitkä perinne suprajohteiden, jäähdytyslaitteiden ja anturiteknologian kehittämisessä. Tämä infrastruktuuri ja osaaminen kvanttitietokoneissa tarvittavien komponenttien saralla on Suomelle mahdollisuus rakentaa uusi merkittävä teollisuudenala”, Pursula sanoo.
Suomen kilpailukyvyn rattaat – ja kapulat
Kilpailukyky, joka mahdollistaa uuden teollisuudenalan rakentumisen, vaatii vahvan perustan kvanttiosaamisessa ja -infrastruktuurissa. Näitä edellytyksiä rakennetaan tälläkin hetkellä. Suomi voi kääriä panostuksistaan pidemmällä aikavälillä sievät rahasummat, kun kvanttiteknologia nousee väistämättä tällä vuosisadalla biljoonabisnekseksi.
Suomen kvanttiyhteisö InstituteQ:n asiantuntijoiden vuoden 2023 helmikuussa julkaisemassa kvanttiagendassa korostetaan nykyisten toimien, kuten rahoitusohjelmien ja kansainvälisen yhteistyön merkitystä alan kehitykselle.
Kapuloita kilpailukyvyn rattaisiin heittää hallituksen ulkomaalaislakiin kaavailemat tiukennukset, jotka tekevät loven työperäiseen maahanmuuttoon. Kolmen kuukauden työttömyys tarkoittaisi ulkomaalaisille asiantuntijoille lakimuutosten myötä karkoitusta maasta.
Riippi näkee tilanteen erityisen huolestuttavana Suomen kilpailukyvylle kvanttialan tutkimuslaitosten, yliopistojen ja yritysten asiantuntijaosaamisen puolesta.
“Meilläkin Quanscientillä on mukana yhdeksää kansallisuutta. En tiedä, miten heidät olisi saanut tänne houkuteltua, jos tällaiset lait olisivat olleet jo voimassa. Tämä on suorastaan hulluutta”, hän toteaa.
Pursula tunnistaa saman ongelman. Kvanttiala on hänen mukaansa myös vahvan tutkimuspainotteisuutensa vuoksi tällä hetkellä poikkeuksellisen kansainvälisessä vaiheessa. Jos Suomi antaa liian tiukkaa viestiä maahanmuuton suhteen, huippuosaajat löytävät kyllä töitä muualtakin.
Lisäksi uusien osaajien kouluttaminen on Pursulan mukaan tähän hätään liian hidas tie. Jotta ala voi kasvaa, tarvitaan osaajia ulkomailta.
Nyt tehdyt panostukset (tai panostamatta jättämiset) muokkaavat kvanttialan tulevaisuutta Suomessa erityisesti, koska ne asettavat kauaskantoiset raamit, joiden mukaan maansisäinen kiinnostus alaa kehittyy.
Kasvava määrä kvanttialan julkisuutta ja konkreettista edistystä – sekä laaja skaala esimerkillisiä kvanttiteknologiayrityksiä – antavat suomalaisille nuorille ja yliopistoille tärkeän viestin, joka lisää väistämättä alan kykyä kilpailla kansainvälisesti. Pienikin virheliike voi kertaantua pitkällä aikavälillä ratkaisevasti toiseen suuntaan.
Tämä kaikki vaikuttaa lopulta Suomen edellytyksiin integroida kvanttiteknologiaa erinäisten alojen tutkimus- ja kehitystyöhön ja hyötymään ylipäätään kvanttialan tuomista mahdollisuuksista tulevina vuosikymmeninä. Nopeasti kiihtyvästä junasta ei kannata nousta nyt pois – panostuksia pitää siksi asiantuntijoiden mukaan jatkaa.
Ammattilaisten vinkit: mitä tehdä juuri nyt?
Konkreettiset toimet antavat helpon tavan lähestyä kompleksia ongelmaa. Ensimmäisenä askeleena kvanttialan kehittymiseen valmistautumisessa on kvanttisalausten käyttöönoton pohtiminen, sanoo Pursula. Tilaisuuteen kannattaa tarttua siinä vaiheessa, kun kvanttisalaukset tulevat laajasti markkinoille, mutta pelätä ei tarvitse.
RSA-salauksen murtamiseen vaadittavat kvanttitietokoneet ovat yhä ainakin vuosikymmenen päässä nykyhetkestä.
Suojausaspektin jälkeen kannattaa miettiä, miten oma yritys osuu tarkemmin kvanttialan palapeliin. Jos tehokas laskenta, optimointiongelmat tai anturiteknologia on merkityksellinen osa liiketoimintaa, kannattaa kvanttialaa kohtaan olla erityisen utelias, Pursula neuvoo.
Kvanttiteknologian hyödyistä kiinnostuneille yrityksille Pursula ja Riippi suosittelevat VTT-vetoiseen BusinessQ-yhteisöön liittymistä. BusinessQ on tällä hetkellä noin 20 yrityksen kokoinen yhteisö, jossa keskustellaan kvanttiteknologiaan liittyvistä hankkeista ja uutisista.
“Kilpailuetu on saatavilla toimijoille, jotka ovat tässä mukana ajoissa”, Pursula sanoo.
Pursula onkin jo huomannut kiinnostuksen lisääntymistä loppukäyttäjien joukossa. Jäsenyys on myös toistaiseksi ilmainen, kunnes hallintokulujen vuoksi jäsenmaksu alkaa nousta aiheelliseksi pohdinnaksi.
Esimerkiksi Quanscient, IQM ja vähemmän kvanttisuuntautuneet Accenture, Futurice, Reaktor sekä OP ovat BusinessQ:n jäseniä.
Mukaan haluaville yrityksille Pursula haluaa kuitenkin viestiä, että jäsenyys edellyttää vahvaa kiinnostusta kvanttiteknologiaa kohtaan.
“Meillä on yksi tiukka vaatimus: pitää olla aidosti kiinnostunut”, hän toteaa.
Omaa kvanttijaostoa kannattaa tuskin vielä perustaa, mutta silmät ja korvat on Riipin ja Pursulan mukaan hyvä avata – ainakin jos kvanttiteknologian tuomia mahdollisuuksia haluaa hyödyntää tehokkaasti ensimmäisten joukossa.
