Suomi avaa kvanttitietokoneen tutkimustarkoituksiin – kvanttilaskennan ja superlaskennan yhdistäminen vie tieteen uudelle aikakaudelle

Vaikka kvanttitietokoneet voivat olla tietyissä tehtävissä äärimmäisen tehokkaita, ne edellyttävät perinteisempien klassisten tietokoneiden ohjausta. Suomi on yhtenä harvoista maailman maista yhdistänyt kvanttitietokoneen ja supertietokoneen. Tämä mahdollisuus avautui, kun VTT:n HELMI-kvanttitietokone ja CSC:n isännöimä LUMI-supertietokone aloittivat toimintansa. Suomen ensimmäinen kvanttitietokone, VTT:n viisikubittinen HELMI, otettiin käyttöön vuonna 2021 ja samana vuonna aloitti toimintansa myös LUMI-supertietokone, jota CSC isännöi Euroopan vihreimmässä HPC-keskuksessa Kajaanissa.

HELMIn ja LUMIn yhdistäminen viitoittaa tietä tulevaisuudelle, jossa maailman haasteellisimpiin ongelmiin pureudutaan kvanttilaskennan ja perinteisen suurteholaskennan yhteistyöllä. Näin voidaan ratkaista ongelmia, joista kvantti- tai supertietokone ei kumpikaan selviäisi yksin. HELMIn ja LUMIn yhdistäminen avaa mahdollisuuksia hybridilaskentaan ja vauhdittaa tarvittavien kvanttialgoritmien sekä ‑ohjelmistojen kehittämistä. Näin opitaan, kuinka teknologiaa voidaan hyödyntää erilaisissa käytännön haasteissa. 

- VTT haluaa tehdä kvanttitietokoneen avulla soveltavaa tutkimusta ja saada lisää tietoa sen tarjoamista mahdollisuuksista. Kvanttilaskennalla on merkittävää potentiaalia innovoinnin vauhdittamisessa yritysten ja koko yhteiskunnan eduksi. Jatkamme entistä suurempien ja tehokkaampien kvanttitietokoneiden rakentamista ja valmistuttuaan ne tulevat käyttäjien saataville saman väylän kautta, sanoo tutkimuspäällikkö Pekka Pursula VTT:ltä.

- LUMI on nyt maailman tehokkain kvanttikiihdytetty superlaskentainfrastruktuuri ja johtava tekoälyalusta. Tämän kautta meillä on kaikki ajurit tulevaisuuden superlaskennalle saumattomasti integroituina ja käyttövalmiina, toteaa LUMI-supertietokonekeskuksen johtaja Pekka Manninen.

Vaikka supertietokoneet ovat jo itsessään äärimmäisen tehokkaita, kvanttikiihdytetty suurteholaskenta kasvattaa supertietokoneiden tehoa entisestään. Näin tietyntyyppiset ongelmat voidaan ratkaista nopeammin, tarkemmin ja energiatehokkaammin. Tällaisia ongelmia ovat muun muassa uusien tuotteiden ja materiaalien kehittäminen esimerkiksi lääke-, kemian- ja akkuteollisuutta varten. Kvanttikoneoppiminen lisää merkittävästi myös tekoälyn potentiaalia. Yhdistetyn laskentatehon avulla voidaan kehittää entistä nopeampia ja tarkempia koneoppimismalleja, joilla voidaan esimerkiksi luoda uusia molekyylirakenteita datan perusteella. Tämä vauhdittaa merkittävästi uusien materiaalien suunnitteluprosessia. Niin kutsuttua kvanttihyötyä odotetaan löytyvän laajasti myös erilaisten optimointiongelmien saralla. Sovellusalueita voivat olla esimerkiksi toimitusketjujen ja matkustusreittien suunnittelu ja osakesalkkujen hoito.

Ensimmäisiä konkreettisia hyötyjä voidaan tulevaisuudessa odottaa alueilla, joilla laskennallisten ennusteiden laatu ja tarkkuus ovat olennaisia, mutta aikaa vastauksen löytämiseen on rajallisesti. Yksi mahdollinen sovelluskohde voisivat olla lyhyen aikavälin sääennusteet, joilla pyritään ennustamaan nopeasti ja tarkasti esimerkiksi ukkosmyrskyjä, pyörremyrskyn etenemistä ja tsunamin leviämistä. Tämä on yhteydessä satelliittien tuottamien maanhavainnointietojen reaaliaikaiseen analyysiin ja korkealaatuisen kuvankäsittelyn avulla voitaisiin näin havaita esimerkiksi alkava metsäpalo. Rahoitusala voisi puolestaan hyötyä tietokoneiden välisen robottikaupan tarkkuuden parantumisesta.  

Kvanttialgoritmit tutkijoiden ulottuville

LUMI ja HELMI yhdistettiin VTT:n, CSC:n ja Aalto-yliopiston yhteistyönä suomalaisen kvanttilaskentainfrastruktuurin (Finnish Quantum-Computing Infrastructure, FiQCI) puitteissa. Suomalaisten yliopistojen ja tutkimusorganisaatioiden pilottikäyttäjille avautuu nyt pääsy kvanttitietokoneeseen avoimen haun kautta. Näin tutkijoille tarjoutuu mahdollisuus kokeilla ja tutkia, miten kvanttilaskenta soveltuu erilaisiin käyttötarkoituksiin. Akateemisen pilottivaiheen jälkeen käyttömahdollisuus on tarkoitus ulottaa laajemmalle yleisölle. 

- Kvanttitietokoneet ovat monin tavoin outoja ja vieraita, ja onkin mielenkiintoista nähdä, miten asiakkaamme päätyvät käyttämään niitä. Uudelle teknologialle löydetään yleensä käyttöä jollain sellaisella alueella, jota kukaan ei aiemmin edes voinut arvata, kommentoi CSC:n kvanttistrategi Mikael Johansson. 

Kvanttitietokoneiden toiminta on vielä perusluonteeltaan ennakoimatonta. Tämän takia on kehitettävä täysin uusia algoritmeja ja ongelmaratkaisun lähestymistapoja. Mahdollisuus kokeilla kvanttilaskentaa omakohtaisesti tarjoaa käyttäjille ensikäden tuntumaa uudesta laskentaparadigmasta ja siitä, minkälaisia muutoksia totuttuihin menetelmiin vaaditaan. Tämä on erityisen tärkeää, jotta voidaan valmistautua tieteellisen laskennan tulevaan kvanttivallankumoukseen.

- Luomme tämän hankkeen avulla pohjaa tulevaisuuden laaja-alaiselle kvanttilaskentainfrastruktuurille Suomessa. Kvanttitietokoneiden ensimmäinen sukupolvi on erittäin arvokas opetettaessa tutkijoille ja opiskelijoille kvanttialgoritmeja ja -laskentaa sekä niihin liittyviä teknologioita, kertoo Aalto-yliopiston fysiikan professori Tapio Ala-Nissilä.

Suomen akatemian ja NextGenerationEU:n tukema suomalainen kvanttilaskentainfrastruktuuri FiQCI on keskeinen osa Suomen elinvoimaista kvanttiteknologian ekosysteemiä. FiQCI pyrkii tutkimuksen ja kehityksen tehokkaaseen kvanttikiihdytykseen. HELMIn ja LUMIn yhdistäminen on ensimmäinen merkittävä virstanpylväs tällä tiellä. VTT:llä rakennetaan parhaillaan 20 kubitin kvanttitietokonetta, ja vuonna 2024 on suunnitteilla päivitys 50 kubittiin. Tämän jälkeen kvanttitietokoneista tulee niin edistyneitä ja monimutkikkaita, etteivät edes tehokkaimmat supertietokoneet pysty mallintamaan niiden toimintaa. Tästä alkaa tieteen uusi aikakausi. VTT, CSC ja Aalto-yliopisto etsivät myös globaaleja strategisia kvanttiaikakauden kumppanuuksia.