Googlen kvanttitutkijat kertoivat helmikuussa merkittävästä edistysaskeleesta, jolla onnistuttiin vähentämään kvanttilaskennan virheiden määrää. Kvanttikisa on vauhdissa, ja siinä Euroopan veturina toimii Suomi.
– Media saattaa mystifioida kvanttiteknologiaa, jotta se kiinnostaisi lukijoita. Tätä ei tarvitse tehdä, sanoo Mikko Möttönen, kvanttiteknologian professori.
Tieteellisesti kvanttimekaniikka on hyvin tunnettu asia, sen ilmiöt toistettavissa ja alan tutkimustyö systemaattista.
– Ala on toki vaikeasti ymmärrettävä, mutta toisaalta näen sen mahdollisuutena: Se on arkku, jonka pohjalla on paljon uutta ja tuntematonta.
Tämän takia ala on jatkuvasti otsikoissa. Esimerkiksi tutkijat ovat olleet kahta mieltä siitä, auttaako isompi virheenkorjauskoodi vai lisääkö se vain virheiden mahdollisuuksia, sillä kvanttitietokoneissa itse kooditkin ovat epävakaita.
Helmikuussa Googlen kvanttitutkijat todistivat Nature-tiedelehdessä julkaistussa artikkelissa (siirryt toiseen palveluun), että kvanttitietokoneen virheenkorjauskoodia kasvattamalla onnistuttiin vähentämään laskuvirheiden määrää.
Aalto-yliopistolla ja VTT:lla yhteisprofessuuria hoitavan Möttösen mukaan kyseessä on merkittävä askel kohti yleiskäyttöistä kvanttitietokonetta, mutta heti perään hän lisää, että korjauskoodin kautta tuskin tapahtuu isoja laskennallisia läpimurtoja lähivuosina.
– Virheenkorjauksen kautta on pidempi tie hyödylliseen kvanttikoneeseen. Sinänsä lopulta se ensimmäinen yleiskäyttöinen kvanttikone kehitetään varmaankin virheenkorjauskoodin kautta.
Mutta suomalaisen kvanttitietokoneyritys IQM:n perustajajäsen Möttönen onkin Googlen kilpailija, kaiken lisäksi eri koulukuntaa kehitystyössä.
Möttönen ja hänen tutkimusryhmänsä eivät tähtää yleiskäyttöisyyteen, vaan aikovat rakentaa koneita, jotka soveltuvat juuri tietynlaisten matemaattisen ongelmien ratkaisemiseen.
– Pääpaino on rautapuolella. Meidän lähestymistapamme on valmistaa laitteistoa, jonka virheprosentti on mahdollisimman pieni.
Rautaa tieteen rajoille
Osana Suomen Akatemian kvanttiteknologian huippuyksikköä toimiva Aallon kvanttilaskennan- ja laitteiden tutkimusryhmä kehittää muun muassa kubitteja.
Kvanttitietokoneiden kvanttiprosessorit koostuvat kubiteista. Tällainen on vaikkapa tuoreeltaan Aallon, IQM:n ja VTT:n kehittämä suprajohtava Unimon-kubitti (siirryt toiseen palveluun). Suprajohtavuus tarkoittaa sitä, että sähkövirta etenee laitteessa häviöttömästi, mikä on kvanttilaitteissa hyvin tärkeää.
Suomessa kehitetään myös koneiden jäähdyttimiä eli kryostaatteja, erilaisia säteilytehon mittareita kuten bolometrejä, sekä komponentteja, joilla kyetään nollaamaan kubitteja laskutoimitusten jälkeen.
Yhteistä eri kvanttikoulukunnilla ovat ongelmat, vaikeimpana sähkömagneettisesta säteilystä ja atomien lämpöliikkeestä aiheutuva kohina.
Ympäristötekijöiden kohinalta kvanttitietokoneet pyritään eristämään lukuisin toimin, tärkeimpänä jäähdyttämällä ne lähelle absoluuttista nollapistettä.
Huonosti eristetyn koneen hienovaraisiin kvantti-ilmiöihin perustuva laskuprosessi romahtaa liian nopeasti, tuloksia lukevat mittarit sotkevat niitä signaaleillaan ja fotoneja sujahtelee minne sattuu.
Mitä paremmin kvanttitietokone saadaan eristettyä, sitä luotettavammin sen laskenta toimii ja sitä paremmin sen tulokset saadaan tulkittua. Tämä vaatii rahaa kehitystyöhön.
Mikä tahansa ei ole mahdollista
Valtiot ja yritykset investoivat kvanttitutkimukseen nyt isoja summia ja käyvät kilpaa kvanttiosaajista.
EU:n vuonna 2018 laukaistu Quantum Flagship -ohjelma tukee kvanttitutkijoita kymmenen vuoden aikana noin miljardilla eurolla. Business Finland käynnisti viime vuoden lopulla kampanjan (siirryt toiseen palveluun), jossa se tarjoaa 15 miljoonaa euroa kvanttilaskennan kehityshankkeisiin.
Pelkästään Möttösen tutkimusryhmä sai viime vuonna 2,5 miljoonan euron ERC Advanced Grant -rahoituksen (siirryt toiseen palveluun) Euroopan tutkimusneuvostolta.
Mutta edes kvanttitietokoneiden kannattavin toteutustapa ei ole selvillä. Miksi vielä niin hähmäiseen teknologiaan laitetaan nyt ämpärikaupalla rahaa?
– Koska kvanttitietokoneet mullistavat laskemisen, Möttönen sanoo.
Möttösen mukaan kvanttitietokoneiden potentiaali hieman peittyy nykytieteen saavutusten taakse. Uskomattomia keksintöjä riittää taskukokoisesta älypuhelimesta avaruusteleskooppeihin, valokuituyhteyksiin ja mRNA-rokotteisiin.
Ihminen voi nykyteknologian ympäröimänä ajatella, että mikä tahansa on mahdollista. Sähköinsinööri kuitenkin näkee rajan, jonka yli ei nyt pääse.
Mikko Möttönen, kvanttiteknologian professori
Nämä jo nyt vaikeasti muille kuin asiantuntijoille avautuvat saavutukset voivat luoda vaikutelman siitä, että ihmiskunta on saavuttanut hyvin kokonaisvaltaisen ymmärryksen luonnosta.
– Esimerkiksi sähköoppiin perehtymätön ihminen voi nykyteknologian ympäröimänä ajatella, että mikä tahansa on mahdollista. Sähköinsinööri kuitenkin näkee rajan, jonka yli ei nyt pääse, Möttönen sanoo.
Ymmärrämme ja hallitsemme sähköä vain tiettyyn pisteeseen asti, koska laskimemme hyytyvät, kun tutkimuksen vaatimat laskut menevät liian monimutkaiseksi. Sama pätee vaikkapa lääkekehitykseen, jossa nyt yleisiä laskentamalleja Möttönen kuvailee “karkeiksi” ja “hämyisiksi”.
– Lääkeainekehitys voi tapahtua jopa täysin statistisilla malleilla, ilman mitään fysiikkaa taustalla.
Koska esimerkiksi lääkeaineiden fysikaaliset reaktiot tapahtuvat atomitasolla, tarvitaan niiden tarkkaan mallintamiseen kvanttilaskennan tehoa.
Möttönen nostaa esimerkiksi maassa olevan bensalammikon. Kun bensalammikon sytyttää palamaan, käynnistyy valtavan tapahtumarikas fyysinen reaktio, jossa bensiinin molekyylit, hiili ja vety palavat tuottaen hiilidioksidia ja vettä lammikon muodon, ilmankosteuden, alustan materiaalin ja lukuisten muiden muuttujien vaikuttaessa tapahtumaan.
Bensaläikän palaminen on Möttösen mukaan äärimmäisen vaikea laskea tarkasti nykyisillä tietokoneilla, mutta mahdollisesti ratkaistavissa tulevaisuudessa kvanttitietokoneilla.
Bensaläikkä tai ilmastonmuutos: Kun jotakin on mahdollista simuloida, tulee sen hallitseminen huomattavasti helpommaksi.
Väärät, oikeat ja kaikki vastaukset
Kvanttilaskenta olisi siis hyvä työkalu haastaviin tilastollisiin päättelytehtäviin ja isoihin optimointiongelmiin. Miksi?
Kvanttitietokoneen perusyksiköillä kubiteilla on vain kaksi mahdollista energiatilaa, nolla tai yksi. Välitilojen puute tarkoittaa sitä, että kun kubittiin kohdistaa energiavirtaa ja se alkaa ”kääntyä” toiseen muotoon, sen tila on samaan aikaan sekä nolla ja yksi. Tätä kutsutaan kvantittumiseksi.
Kun tällaista kääntymisen puolessavälissä kvantittunutta kubittia yrittää lukea, saadaan täysin satunnaisesti tulokseksi nolla tai yksi.
Kvanttitietokoneen kvanttimuisti sisältää useita kubitteja. Annetaan niille tehtävä ja pysäytetään niiden kääntyminen puoleen väliin. Tarkastetaan, ja tulokseksi saadaan mikä tahansa bittijono, kaikista mahdollisista klassisten bittien arvoista. Oikea ratkaisu tehtävään on jossain kvanttimuistissa, se pitää vain ”löytää”.
Erittäin rankasti pelkistäen klassinen tietokone tuottaa tehtäviin yhden ratkaisun, joka on laskukaavasta riippuen joko oikea tai väärä. Kvanttitietokone voi tuottaa tehtäviin kaikki ratkaisut.
Kohina vaikeuttaa laskemista, tarkistamista, lukemista ja itse kvantittumistakin.
Siksi kubitteja yritetään kehittää kohinankestäviksi, ja juuri tässä Suomessa saavutetaan nyt isoja edistysaskeleita.
– Vauhti on ollut järjettömän nopea, Möttönen sanoo.
Kvanttisuurmaa Suomi
Edistysaskeleet kääntyvät bisnekseksi. IQM tiedotti tuoreeltaan toimittavansa Espanjaan maan ensimmäisen kvanttitietokoneen prosessorin ja on mukana rakentamassa Saksaan kvanttitietokonetta yli 30 miljoonan euron projektissa.
– Saadaan näistä satsauksista jotain takaisinkin, Möttönen virnistää.
Ensi vuonna olisi tarkoitus saada valmiiksi Suomen ensimmäinen 50 kubitin kvanttitietokone, jonka kautta kotimainen tutkimustyö saa taas lisää vauhtia.
Uusia tutkijoita kuitenkin imetään yrityksiin suoraan opinnoista, muun muassa kaksinkertaisen palkan rohkaisemina.
Onkin Möttösen vaalipuheen aika: TKI-alueelle on pakko satsata, aloituspaikkoja kvanttiteknologian ohjelmissa pitäisi olla paljon enemmän ja tutkijakouluja pitäisi vahvistaa. Möttönen kehuu säätiöiden panostusta alan tohtoriopetukseen, mutta pelkästään niiden varassa tulevaisuus ei voi olla.
Möttösen mukaan Suomella on nyt teknologia-alalla neljä valttia: 6G-verkkoteknologia, tekoäly, satelliitit ja kvanttitietokoneet. Näissä saavutettu etumatka pitäisi pyrkiä säilyttämään.
– Suomi tarvitsee ensimmäisenä ne parhaat kvanttitietokoneet, jotta voidaan myydä niitä sitten muille, Möttönen sanoo.