On kerrassaan vaikuttavaa, että Suomessa on 50 kubitin kotimainen kvanttitietokone. Kriittisenä tutkijana en voi kuitenkaan olla kysymättä: Miksi meillä oikeastaan on tuo laite? Pohtiessani tätä ymmärsin, että se liittyy kolmeen kysymykseen, joita minulta kvanttilaskennan professorina kysytään yhä uudelleen. Vastaus alkuperäiseen kysymykseen saattaa löytyä niiden kautta.
Ehkäpä yleisin kysymys on: Miten kvanttitietokoneet voivat olla hyödyksi?
Jos olisit opiskelija kvanttilaskennan kurssillani, niin vastaukseni olisi: kerro sinä minulle! Tällä tarkoitan sitä, että minun ikäpolveni tutkijat ovat edelleen kiinni tutkimuskysymyksissä, jotka liittyvät kvanttitietokoneen rakentamiseen, algoritmien ja ohjelmistojen kehittelyyn sekä kaikenlaisiin menetelmiin, joita tarvitaan kvanttitietokoneen koon kasvattamiseen ja toiminnan tehostamiseen.
Tilannetta voi verratta vuoteen 1995. Olin silloin lukiolainen ja pääsin ensimmäisen kerran internetin ääreen. En tehnyt sillä mitään hyödyllistä - kunhan seurailin linkkejä. Kun ajattelemme Suomea 10, 20 ja 30 vuotta sen jälkeen, niin näemme, että internet on mahdollistanut sellaisia toimintoja, joihin kukaan ei sitä aikoinaan suunnitellut. Kvanttitieteilijöiden tehtävänä on kouluttaa seuraavan polven tutkijat.
On hyvin kiinnostava olla näinä aikoina kvanttialan tutkija, mutta ehkä vielä kiehtovampaa olla kvanttialan opiskelija. Tämän päivän opiskelijat ovat huomisen tutkijoita. He tulevat näyttämään, mitä hyötyjä kvanttitietokoneesta saa irti. Emme luultavasti vielä ole pystyneet kuvittelemaan kaikkia sovellusalueita, joita kvanttitietokoneella voi tulevaisuudessa olla.
Toinen kysymys on: Miksi kvanttitietokone on nopeampi kuin tavallinen tietokone?
Vastaukseni tähän on, että kvanttitietokone ei ole nopeampi – aina. Tietokoneet ovat laskemisen apuvälineitä, mutta ne eivät yksistään määritä laskennan nopeutta. Olennaista on oppia laskennallisten ongelmien monimutkaisuudesta ja parhaista tavoista ratkoa niitä.
Kokonaiskuvan saamiseksi voimme puhua kuvainnollisesta Laskennan maailmasta. Siellä niityillä sijaitsee helppoja ongelmia ja vuorten huipuilla vaikeita pulmia. Vaikea ongelma voi muuttua helpoksi, jos tunnemme hyvän reitin. Laskennan maailman polut vastaavat algoritmeja. Laskentavälineet ovat tässä vertauskuvassa kulkuneuvoja. Tietokone on polkupyörä. Se on luotettava ja kolhuja kestävä kulkupeli. Kvanttitietokone ei ole suinkaan auto, vaan sitä vastaa tässä vertauksessa vesitaso. Vesitasolla pääsee nopeasti järveltä toiselle järvelle, mutta liikkuminen vaatii järviä ja maaston tuntemusta. Sillä ei voi suin päin lennellä sinne tänne, sillä määränpäässä pitää olla järvi. Polkupyörällä ja vesitasolla on ihan eri vaatimukset reiteilleen. Samalla tavalla kuin polkupyörä ja vesitaso, myös kvanttitietokone ja tavallinen tietokone toimivat keskenään erilaisella tavalla ja ovat hyviä erilaisissa tehtävissä.
Emme tiedä kovinkaan paljoa Laskennan maailmasta. Kvanttilaskennan kannalta parhaassa tapauksessa se on kuin Keski-Suomi, jossa järviä on joka puolella. Silloin vesitasolla voi lennellä minne lystää. Laskennan maailma voi olla myös kuin Satakunta, jossa vesitaso on ihan hyödyllinen, mutta kaikkialle sillä ei pääse. Tässä kohtaa pitää myös sanoa, että LUMI-supertietokonetta ei voi verrata polkupyörään. Paremmin sitä vastaa laskennan maailmassa Harley Davidson -moottoripyörä. Jos asuisit Porissa ja sinulla olisi harrikka ja vesitaso, niin käyttäisit varmaan kumpaakin. Pahimmassa tapauksessa Laskennan maailma on Sahara. Silloin kvanttitietokoneella ei juuri olisi käyttöä. Onneksi on kuitenkin jo viitteitä siitä, että Laskennan maailma ei ole Sahara.
Onko vesitasosta sitten hyötyä, jos ei edes ole varmuutta lähistön järvistä? Jos ei tunne maastoa, niin voihan sitä lähteä tiedustelemaan polkupyörälläkin. Nopeammin se kuitenkin käy vesitasolla yläilmoista katselemalla. Ehkä polttoaine ei riitä pitkälle ja pitää palata takaisin lähtöjärvelle, mutta maasto alkaa käydä vähitellen tutuksi. Samalla tavoin kvanttitietokone puskee meidät miettimään uudella tavalla, mitä ja miten voimme laskennallisia ongelmia ratkaista.
Kolmas kysymys on: Voiko tavallinen ihminen ymmärtää kvanttifysiikkaa?
Tähän on selvä vastaus: kyllä voi. Kvanttifysiikan ympärille on tullut tarpeetonta mystiikkaa ja valitettavasti ajatus siitä, ettei kvanttifysiikkaa voisi ymmärtää, on yleinen. Kyllä kvanttifysiikkaa voi ymmärtää. Se on vaikeaa, mutta jokainen meistä on opetellut vaikeita asioita ennenkin. Kvanttifysiikan alkeiden opettelussa vaikeus ei ole aiheen monimutkaisuudessa vaan siinä, että kvanttifysikaalinen todellisuus on niin erilainen kuin arkimaailma.
Mielenkiintoisempi jatkokysymys on se, että pitäisikö tavallisen ihmisen opiskella kvanttifysiikkaa. Vastaukseni tähän on seuraava. Ajattele normaalia arkipäivääsi. Heräät aamulla. Sinulla on ehkä nälkä tai jano, mutta saatat silti vilkaista uutisia tai vastata viestiin ennen aamupalaa. Monella meistä päivä jatkuu muun informaation, viestinnän ja datan analysoinnin parissa. Onnekkaat pääsevät ohjelmoimaankin. Arkipäivän elämämme pyörii informaation ympärillä. Yhteiskuntamme rakentuu informaation varaan.
Miten kvanttifysiikka tulee mukaan kuvaan? Informaatiolla täytyy aina olla jokin fysikaalinen kantaja, se ei voi esiintyä yksinään. Informaatio on kvantti-informaatiota silloin kun informaation kantaja on kvanttifysikaalinen systeemi. Koska kvanttifysiikka on perustavanlaatuista fysiikkaa, pohjautuvat informaation prosessoinnin säännöt viime kädessä kvanttifysiikkaan. Kvantti-informaatio ei ole mikään etäinen tai esoteerinen käsite, vaan se on informaation perustavanlaatuinen muoto.
Voidaksemme kehittää informaatioon perustuvaa yhteiskuntaamme, on seuraava luonnollinen vaihe syventää kvanttifysiikan ymmärrystämme, kehittää kvanttiteknologian sovelluksia sekä oppia käyttämään kvanttitietokonetta hyödyllisellä tavalla. Se on yhteinen mahdollisuutemme, jonka toteuttamiseen tullaan tarvitsemaan monenlaista osaamista ja monipuolisia näkökulmia. Jokaiselle kiinnostuneelle on paikka tässä kehityksessä.
Professori Teiko Heinosaari, Jyväskylän yliopisto
Teiko Heinosaari toimii kvanttilaskennan professorina Jyväskylän yliopiston IT-tiedekunnassa. Hän tutkii muun muassa kvanttihyödyn saavuttamista informaation prosessoinnissa sekä kehittää uudenlaisia kvanttilaskennan opetusmenetelmiä.
Kirjoitus perustuu Heinosaaren puheeseen 50 kubitin kvanttitietokoneen julkistamistapahtumassa Dipolissa 4.3.2025.
