Tietoverkkojen käyttäjämäärien kasvu tuo mukanaan ruuhkia, jotka näkyvät palveluiden käyttäjille viiveinä ja katkoksina. Samalla verkkojen ja sovellusten monimutkaistuminen haastaa myös verkkojen ohjauksen ja hallinnan. VTT on käynnistänyt hankkeen, joka tutkii, miten verkkojen ongelmia voitaisiin ratkoa kvanttilaskentaa hyödyntäen.
Langattomien verkkojen ongelmana on tällä hetkellä ruuhkautuminen eli heikompi suorituskyky silloin, kun yhä useampi yrittää käyttää verkkoa samanaikaisesti esimerkiksi suurtapahtumien yhteydessä. 6G-aikakausi kasvattaa käyttäjien ja monimutkaisten sovellusten määrää entisestään, joten ongelma ei tulevaisuudessa ole helpottumassa.
Esimerkiksi kysymyksiä, missä järjestyksessä eri käyttäjiä palvellaan ja mitä reittejä pitkin liikenne kannattaa siirtää, jotta kaikki saavat luvatun palvelunlaadun, voidaan yhdessä kutsua kombinatorisiksi ongelmiksi.
”Moni tuntee niin sanotun matkustavan kauppamiehen ongelman, joka liittyy siihen, missä järjestyksessä kauppiaan kannattaa käydä kaupunkeja läpi, jotta reitti olisi mahdollisimman lyhyt. Ongelman monimutkaisuus kasvaa eksponentiaalisesti, kun kaupunkeja lisätään. Samalla tavoin tietoliikenneverkkojen monimutkaistuessa ja niitä käyttävien sovellusten määrän lisääntyessä myös optimoitavien tekijöiden kombinaatioiden määrä nousee. Tämä tekee erittäin haastavaksi päättää, missä järjestyksessä ja millä resursseilla eri käyttäjiä palvellaan”, hanketta VTT:llä vetävä erikoistutkija Kari Seppänen sanoo.
Kombinatorisia ongelmia on tähän mennessä ratkottu pitkälti heuristisin menetelmin eli esimerkiksi ongelmaa yksinkertaistaen. Ne kuitenkin tuottavat yleensä likimääräisiä vastauksia, jotka voivat johtaa heikompaan suorituskykyyn. Tilastoihin ja dataan perustuvat optimointimenetelmät kuluttavat puolestaan paljon energiaa, eivätkä ratkaisut ole välttämättä riittävän nopeasti käytettävissä tilanteisiin, joissa pitää reagoida muutoksiin, kun esimerkiksi palvelimeen ei saada yhteyttä.
VTT:n tutkimushankkeessa kombinatorisia ongelmia ratkotaan kvantti- ja klassisen laskennan yhdistävillä hybridialgoritmeilla, joilla saadaan paras hyöty irti kummastakin laskentatavasta. Näin voidaan lopulta kasvattaa verkkojen kapasiteettia. Vaativat sovellukset saavat tällöin tarvitsemansa palvelunlaadun kuormitetussakin verkossa ja samalla säästyy myös energiaa.
”Kvanttitietokoneilla pystytään jo tässä vaiheessa tuottamaan nopeasti uusia ja tarkempia ratkaisuvaihtoehtoja, joita voidaan sen jälkeen arvioida klassisilla tietokoneilla. Tai voidaan sanoa myös päinvastoin, että klassillista heuristiikkaa parannetaan kvanttialgoritmeilla. Hybridimenetelmässä algoritmeja ja tuloksia ajetaan iteratiivisesti läpi monta kertaa kummallakin tavalla, kunnes päästään optimaaliseen lopputulokseen”, kertoo Seppänen.
Tavoitteena päästä konkreettiseen lopputulemaan jo lähiaikoina
VTT:n tutkimushankkeeseen osallistuu tietoliikenne-, krypto- ja kvanttiosaajia, ja projekti tuo kvanttialgoritmien suunnitteluun paljon uutta tietotaitoa.
”On tärkeää, että suomalaiset yritykset ovat ensimmäisten joukossa hyödyntämässä kvanttilaskennan mahdollisuuksia, koska olemme edelläkävijöitä niin kvanttiteknologioiden kuin tulevaisuuden tietoverkkojen kehityksessä. Tämä on ainutlaatuinen projekti, joka voi avata vielä täysin uusia mahdollisuuksia kvanttiteknologioiden soveltamiseen. Tavoitteena on, että tutkimuksesta olisi hyötyä jo lähiaikoina”, sanoo VTT:n Kari Seppänen.
Projektissa on VTT:n lisäksi mukana useita suomalaisia yrityksiä, mukaan lukien Nokia Bell Labs, Cumucore ja Unitary Zero Space. Yritykset tuovat mukanaan ne ongelmat, joihin hankkeessa pureudutaan.
"Langattomalla tietoliikennetekniikalla ja kvanttiteknologioilla on poikkeuksellisen suuret gloabaalit vaikutukset. Suomi onkin ainutlaatuisessa asemassa, koska meillä on niin hyvä lähtötilanne kummallakin alueella, joten tutkimusprojektin aihe näiden risteyskohdassa on harvinaisen hedelmällinen”, kertoo Unitary Zero Space Oy perustaja Topias Uotila.
"Kvanttilaskennan avulla voidaan ratkaista viestintäverkoissa yleisiä kombinatorisia ongelmia, jotka liittyvät resurssien jakamiseen, reititykseen ja aikataulutukseen sekä verkon suunnitteluun. Nokia johtaa tällä hetkellä eurooppalaisia 6G:n lippulaivahankkeita Hexa-X sekä Hexa-X-II. Tuomme VTT:n hankkeeseen tietoliikennealan asiantuntemuksemme, jolla 6G:tä voidaan edistää klassisen ja kvanttilaskennan yhdistelmällä edelleen", sanoo Nokia Bell Labsin vanhempi tutkija Karthik Upadhya.
Tutkimuksessa on tarkoitus hyödyntää myös LUMI-supertietokonetta. Pyrkimys on yhdistää VTT:n kvanttitietokoneella ja supertietokoneella suoritettava laskenta VTT:n 5G- ja 6G-verkkoihin ja osoittaa, että niillä voidaan ratkaista konkreettinen käytännön ongelma. Tutkimuksen kohteina ovat lisäksi hilaongelmat sekä kvanttiturvalliset salausmenetelmät.
"Kvanttilaskenta ja tekoäly yhdessä nostavat mobiiliverkkojen nopeuden, turvallisuuden ja automaation uudelle tasolle. Olemme Cumucorella ylpeitä siitä, että voimme olla mukana tässä hankkeessa ja tuoda siihen 6G-osaamistamme, jotta voidaan tutkia, millainen on kvanttilaskennan potentiaali tarjota ihmiskeskeistä, mutta äärimmäisen turvallista viestintää", sanoo Cumucore Oy:n toimitusjohtaja Jose Costa-Requena.
Combinatorial Optimization with Hybrid Quantum-Classical Algorithms -niminen hanke käynnistyi heinäkuussa 2023 ja jatkuu kesäkuuhun 2025. Sen rahoitus tulee Business Finlandin Quantum Computing Campaign -ohjelmasta, jonka tavoitteena on rakentaa Suomeen liiketoiminnan haasteita kvanttilaskennan avulla ratkaiseva ekosysteemi.
”Tässä vaiheessa teemme vielä alustavaa selvitystä ja kokeilua. Suunnittelemme myös kvanttikävelyn menetelmän hyödyntämistä. Alustavat tulokset ovat jo olleet hyvin lupaavia”, toteaa VTT:n Kari Seppänen.
