Kvanttitietokoneiden kehitys etenee nopeasti. Ne lupaavat mullistaa monia aloja lääkekehityksestä tekoälyyn, mutta samalla ne haastavat nykyiset salausmenetelmät. Tässä artikkelissa tutustumme kvanttitietokoneiden toimintaan, nykytilaan ja tulevaisuuden näkymiin.
Kvanttitietokoneen toimintaperiaate
Kvanttitietokoneiden teho perustuu kvanttimekaniikan ilmiöihin, jotka hallitsevat atomien kaltaisten pienten hiukkasten maailmaa. Tässä maailmassa säännöt poikkeavat arkikokemuksesta. Perinteisen tietokoneen bitti on joko 0 tai 1, mutta kvanttitietokoneen kubitti voi olla superpositiossa: samanaikaisesti sekä 0 että 1. Ajattele kolikkoa, joka pyörii ilmassa – se on yhtä aikaa kruuna ja klaava, kunnes se laskeutuu. Superposition ansiosta kvanttitietokone pystyy käsittelemään valtavasti laskutoimituksia rinnakkain. Ilmiöstä ja kvanttitietokoneiden toiminnasta kerrotaan lisää Helsingin yliopiston Utelias mieli -podcastissa.
Toinen tärkeä ilmiö on lomittuminen. Lomittuneiden kubittien tilat ovat kytköksissä toisiinsa: yhden kubitin tila vaikuttaa välittömästi toiseen, riippumatta niiden etäisyydestä. Tämä on kuin kahdella maagisella kolikolla olisi yhteys – jos toinen on kruuna, toinen on heti klaava.
Kubittien herkkyys on kuitenkin haaste. Ympäristön häiriöt, kuten lämpötilan vaihtelut, voivat aiheuttaa dekoherenssin, jolloin kubitin superpositio häviää ja tieto menetetään. Siksi kvanttitietokoneet tarvitsevat vakaat olosuhteet, usein lähellä absoluuttista nollapistettä (-273,15 °C). Tässä hyödynnetään usein suprajohtavia materiaaleja, joiden sähkövastus katoaa hyvin alhaisissa lämpötiloissa.
Kvanttiohjelmointi
Kvanttitietokoneiden ohjelmointi poikkeaa perinteisestä. Vaikka siinä voidaan käyttää tuttuja kieliä, kuten Pythonia, tarvitaan erityisiä kirjastoja ja kvanttialgoritmeja. Kvanttiohjelmat visualisoidaan usein “nuottiviivastoina”, jotka kuvaavat kubittien tilojen muutoksia. Helsingin yliopiston Utelias mieli-podcastissa kerrotaan, että ohjelmoinnin kehitys on vielä alkuvaiheessa, mutta uusia menetelmiä kehitetään jatkuvasti.
Nykytila ja tulevaisuuden näkymät
Suomi on kvanttiteknologian kärkimaiden joukossa. VTT ja IQM Finland ovat kehittäneet yhdessä Suomen ensimmäisiä kvanttitietokoneita. Vuonna 2023 käyttöön otettu 50 kubitin laite oli valmistuessaan Euroopan suurin suprajohtava kvanttitietokone. VTT:n tiedotteen mukaan IQM on jopa toimittanut kvanttitietokoneen asiakkaan tiloihin, mikä on kansainvälisesti harvinaista. Tämä menestys perustuu pitkäjänteiseen tutkimukseen Aalto-yliopistossa ja VTT:ssä sekä vahvaan yritysyhteistyöhön, jota Business Quantum Finland -verkosto edistää.
Maailmanlaajuisesti kvanttitietokoneiden kehitys on kilpajuoksu. Google ilmoitti vuonna 2019 saavuttaneensa “kvanttiylivallan” Sycamore-prosessorillaan. Kvanttiylivalta tarkoittaa sitä, että kvanttitietokone suoritti tietyn laskutoimituksen nopeammin kuin mikään perinteinen tietokone pystyisi siihen. Kiina on myös panostanut merkittävästi kvanttiteknologiaan. Nämä ovat kuitenkin vasta ensiaskeleita, ja laajasti hyödynnettävien kvanttitietokoneiden kehittäminen vie vielä aikaa.
Kvanttitietokoneiden sovellukset
Kvanttitietokoneilla on valtavasti potentiaalisia sovelluksia. Lääke- ja materiaalikehityksessä ne voivat mallintaa tarkasti molekyylien vuorovaikutuksia, mikä on klassisille tietokoneille usein ylivoimaista. Tämä mahdollistaa uusien lääkeaineiden ja materiaalien, kuten tehokkaampien suprajohteiden, suunnittelun. Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiön rahoittamassa hankkeessa tutkitaankin kvanttitietokoneiden käyttöä lääkeaineiden mallintamisessa.
Kvanttitietokoneet voivat mullistaa myös lannoiteteollisuuden ja auttaa kehittämään tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä prosesseja. Lisäksi hiilidioksidin talteenottoon liittyvien mekanismien tarkka mallintaminen voi auttaa kehittämään ratkaisuja ilmastonmuutoksen torjuntaan. McKinseyn raportin mukaan kvanttilaskenta voi tuoda merkittäviä parannuksia myös logistiikan optimointiin, uusien energiaratkaisujen kehittämiseen ja tekoälyn sovelluksiin.
Kvanttikoneoppiminen yhdistää kvanttilaskennan ja koneoppimisen. Kvanttitietokoneet voivat käsitellä tehokkaammin suuria datamääriä ja löytää niistä monimutkaisia yhteyksiä. Tämä voi parantaa lääketieteellistä diagnostiikkaa, jossa kvanttikoneoppiminen voi auttaa tunnistamaan sairauksia varhain analysoimalla potilasaineistoja. Rahoitusmarkkinoilla kvanttikoneoppiminen voi auttaa ennustamaan markkinoiden liikkeitä ja hallitsemaan riskejä tehokkaammin.
Lisää kvanttilaskennan mahdollisuuksista eri aloilla löytyy VTT:n sivuilta.
Kvanttiuhka ja tietoturva
Kvanttitietokoneet uhkaavat nykyisiä salausmenetelmiä, kuten RSA-salausta. RSA:n turvallisuus perustuu siihen, että suurten lukujen jakaminen alkutekijöihin on perinteisille tietokoneille erittäin vaikeaa. Kvanttitietokoneet voivat kuitenkin ratkaista tämän ongelman nopeasti Shorin algoritmin avulla. Groverin algoritmi puolestaan nopeuttaa tiedonhakua, mikä tehostaa hyökkäyksiä. Aallon yliopiston sivustolla on lisätietoa näistä algoritmeista.
Vaikka salausmenetelmiä murtavat kvanttitietokoneet eivät ole vielä todellisuutta, tiedon suojaaminen on tärkeää jo nyt. Salattua tietoa voidaan tallentaa ja yrittää murtaa myöhemmin. Siksi on tärkeää siirtyä kvanttikestäviin salausmenetelmiin.
Tutkijat kehittävät kvanttikestäviä salausmenetelmiä (post-kvanttikryptografia, PQC), jotka perustuvat kvanttitietokoneillekin vaikeisiin matemaattisiin ongelmiin. Esimerkiksi hila-pohjainen salaus perustuu moniulotteisiin hilarakenteisiin, joissa on vaikea löytää lyhintä reittiä. Koodipohjainen salaus taas hyödyntää virheenkorjauskoodeja – salattuun tietoon lisätään kohinaa, jonka vain vastaanottaja osaa poistaa. Kyberturvallisuuskeskuksen mukaan Suomi seuraa NISTin PQC-prosessia, jossa standardoidaan uusia kvanttikestäviä salausalgoritmeja.
Kvanttiteknologian vaikutukset
Kvanttiteknologia vaikuttaa myös turvallisuuspolitiikkaan. Kvanttitietokoneiden kyky murtaa salauksia voi antaa valtioille tiedusteluetua. Lisäksi kvanttisensorit mahdollistavat erittäin tarkkoja mittauksia. Niillä voidaan havaita esimerkiksi sukellusveneitä, mikä voi muuttaa ydinasepelotteen perusteita, kuten MTV Uutisten artikkelissa pohditaan.
Kvanttiteknologia herättää myös eettisiä kysymyksiä. On pohdittava, miten varmistetaan, että teknologiaa käytetään oikein ja että sen hyödyt jakautuvat tasaisesti.
Yhteenveto
Kvanttitietokoneiden kehitys on merkittävä teknologinen murros. Suomi on tässä kehityksessä vahvasti mukana, kiitos VTT:n, Aalto-yliopiston ja IQM:n. Kvanttiteknologian potentiaali on valtava, ja se tulee muuttamaan monia aloja lääkekehityksestä turvallisuuspolitiikkaan. Laajamittainen käyttöönotto on vielä vuosien päässä, mutta kvanttiteknologia on tullut jäädäkseen. Alan kehityksestä uutisoi Suomessa esimerkiksi The Ulkopolitist. Suomen on tärkeää jatkaa panostuksia kvanttiosaamiseen.