Nanoteknologian tutkijat etsivät kvanttisimulaatioilla ratkaisuja kvanttitietokoneen rakentajille
Kvanttitietokoneet ja niiden huikeat laskentanopeudet ovat paljon puhuttu aihe mediassa ja julkisuudessa. Suomikin julkaisi tänä vuonna oman kansallisen kvanttiteknologiastrategian.
Kokeellisen nanofysiikan professori Jussi Toppari ja teoreettisen fysiikan professori Tero Heikkilä Jyväskylän yliopistosta kuitenkin korostavat, että vielä toistaiseksi perinteiset tietokoneet ovat oikeastaan kaikessa nopeampia kuin kvanttitietokoneet.
“Lupaus kvanttitietokoneiden nopeudesta on kuitenkin olemassa. Kvanttitietokoneet voivat tulevaisuudessa ratkaista ongelmia, joihin klassiset tietokoneet eivät pysty. Esimerkiksi kvanttisimulaatioiden potentiaali lääkekehityksessä ja materiaalitutkimuksessa on suuri”, sanoo Jussi Toppari.
Kvanttisimulaatiolla tarkoitetaan menetelmää, jossa kvanttimekaniikan lakeja noudattavia järjestelmiä, kuten esimerkiksi molekyylejä tai materiaaleja, mallinnetaan samoja lakeja noudattavan kvanttitietokoneen avulla.
Jyväskylässä tärkeitä kvanttiteknologian tutkimuskeskittymiä
Jyväskylän yliopistossa aloitti tänä vuonna uusi Suomen Akatemian rahoittama kvanttisimulaatioihin keskittyvä profilointialue, qSIME. Toppari ja Heikkilä työskentelevät molemmat profilointialueen tutkimuksissa yhdessä lähes sadan tutkijan kanssa. Profilointialuetta johtaa Jussi Toppari, varajohtajana toimii kvanttilaskennan professori Teiko Heinosaari.
Tutkijaverkosto keskittyy tutkimaan kvanttisimulaatioita, -ohjelmistoja ja kvanttimittauksia.
Profilointialueen tärkeimpänä tavoitteena on kvanttisimulaatioiden käytön edistäminen tieteellisessä tutkimuksessa.
Samalla luodaan lisää tietotaitoa kvanttisimulaatioihin liittyen ja koulutetaan ammattilaisia, jotka vievät osaamistaan laajemmin yrityksille ja yhteiskuntaan.
“Aalto-yliopisto, VTT ja Jyväskylän yliopisto ovat tällä hetkellä kolme merkittävintä kvanttiteknologian tutkimuspaikkaa Suomessa. Me kaikki olemme myös mukana Suomen kvanttilippulaivassa, joka kokoaa yhteen kvanttiteknologian kansallisen huippuosaamisen fysiikan, tietotekniikan, matematiikan, nanoteknologian ja taloustieteen aloilla. Jyväskylässä tavoitteemme on olla tulevaisuudessa kahden merkittävimmän joukossa”, Toppari kertoo tavoitteista.
Askel lähemmäs tavoitetta päästiin lokakuussa, kun Jyväskylän yliopisto sai Suomen Akatemian rahoituksen Heikkilän johtamalle Kvanttimateriaalien tutkimuksen huippuyksikölle.
Kvanttitietokoneita halutaan lääkekehitykseen
Tero Heikkilä kertoo, että kvanttitietokonetta tavoitellaan etenkin lääkekehityksen tueksi. Se on yksi kvanttisimulaatiotutkimuksen tavoitelluimpia sovellutusalueita ja olisi omiaan juuri kvanttitietokoneen tehtäväksi.
Lääkekehityksessä halutaan ymmärtää mahdollisimman tarkasti molekyylien käyttäytymistä, mikä vaatii tarkkaa mallinnusta molekyylien rakenteesta. Niiden simulointi on klassisilla tietokoneilla joko vaikeaa tai mahdotonta, koska mallintaminen vaatii niin valtavan määrän muistia.”
Molekyylien mallinnuksessa niiden sisältämät atomit ja elektronit on kuvattava aaltofunktion avulla. Näiden aaltofunktioiden yhdistelmä tuottaa hyvin monimutkaisen kokonaisuuden.
”Otetaan esimerkiksi molekyyli, jossa on 50 elektronia. Jos mallinnuksessa huomioidaan pelkästään jokaisen molekyylin kaksi mahdollista tilaa, mutta jätetään tietokoneen muistin säästämiseksi huomioimatta niiden sijainti kolmiulotteisessa tilassa, saadaan erilaisten tilojen määräksi yli tuhat biljoonaa mahdollista konfiguraatiota”, hän jatkaa.
Klassinen tietokone joutuu laskemaan nämä tilat yksitellen. Käytännössä jo muutaman kymmenen elektronin molekyylin mallintaminen tarkasti on nykytietokoneille mahdotonta. Kvanttitietokone toimii kuitenkin molekyylien tapaan kvanttimekaniikan periaatteita noudattaen ja voi siten luonnollisesti mallintaa kvanttitiloja.
Pelkkä ymmärrys tästä ei kuitenkaan riitä, vaan simuloinnin toteuttamiseksi tarvitaan lisäksi kvanttialgoritmeja. Myös näitä tutkitaan ahkerasti Jyväskylän yliopistossa.
Tero Heikkilä uskoo, että kvanttitietokoneita nähdään teollisessa lääkekehityksessä todennäköisesti 10–15 vuoden päästä.
Jotkut puhuvat, että voisimme pystyä hyödyntämään kvanttitietokoneita tehokkaasti jo muutaman vuoden sisään, mutta se on mielestäni puhtaasti markkinointipuhetta”, Heikkilä kertoo.
”Olen tässä arviossa toki mielelläni väärässä”, hän naurahtaa.
Mullistuksia tulossa myös perinteisiin tietokoneisiin
Kvanttitietokoneiden kehitys ja tutkimus johtavat samalla mullistuksiin myös perinteisten tietokoneiden laskentatehon kasvamisessa.
“Esimerkiksi Google ilmoitti jo vuonna 2019, että he pystyivät tekemään kvanttitietokoneella simuloinnin nopeammin kuin perinteisellä tietokoneella. Tosiasiassa tämä kuitenkin nopeutti algoritmikehitystä, jonka jälkeen klassinen tietokone onnistui samassa simuloinnissa kvanttitietokonetta nopeammin”, Tero Heikkilä kertoo.
Kvanttitietokoneiden kanssa tehty tutkimus voi siis johtaa parempien algoritmien löytymiseen myös klassisille tietokoneille. Tällöin puhutaan kvantti-inspiroiduista algoritmeista.
Jyväskylässä me pyrimme edistämään tätä kehitystä, mutta kukaan alallakaan ei vielä tiedä, onko materiaalien simulointi tulevaisuudessa tehokkaampaa kvanttitietokoneiden vai kvantti-inspiroitujen algoritmien avulla, Heikkilä summaa.
Huoneenlämmössä toimiva suprajohde olisi harppaus
Tällä hetkellä yksi kvanttitutkimuksen isoista tavoitteista maailmanlaajuisesti on huoneenlämmössä toimivan suprajohteen löytäminen, koska se mahdollistaisi löytyessään huomattavan vähennyksen energiankulutuksessa.
“Suprajohteet voivat vähentää merkittävästi energiankulutusta esimerkiksi datakeskuksissa, joissa sähköä kuluu valtavasti. Ne auttaisivat meitä rakentamaan laitteita, jotka toimisivat nopeammin, tarkemmin ja niissä olisi vähemmän häiriöitä,” Heikkilä kuvailee.
Heikkilä kertoo, että suprajohteiden kehittämisestä olisi apua myös esimerkiksi fuusioteknologian kehittämisessä, sillä fuusion ylläpitämisessä käytettyä valtavan kuumaa plasmaa voidaan pitää aisoissa suprajohteiden tuottamien suurien magneettikenttien avulla.
Vaikka suprajohteet, fuusioreaktorit ja lääkekehitys eivät ensi kuulemalta tunnu asioilta, jotka voisivat mullistaa tavallisen ihmisen arkea, kvanttitietokoneiden tutkimus voi kuitenkin näkyä tavallisen ihmisen arjessa yllättävilläkin tavoilla, sanoo Jussi Toppari:
”Vaikka kvanttiteknologia ei välttämättä näy suoraan arjessa, niin se voi auttaa meitä ratkomaan esimerkiksi energiaan liittyviä kysymyksiä tai parantamaan terveyttä tehokkaampien lääkkeiden avulla.”
Vaikutukset voivat kuitenkin näkyä niinkin arkisessa asiassa kuin tarkemmissa säätiedotuksissa. Nykyisin sääennusteet laaditaan supertietokoneilla, mutta tulevaisuudessa kvanttitietokoneet voivat mullistaa sään ja ilmaston mallinnuksen”, Toppari sanoo.
Sekä Heikkilä että Toppari toivovat, että kvanttiteknologialla on Suomessa työllistävä vaikutus.
Tätä tavoitetta varten myös Jyväskylän yliopistossa työskennellään, he painottavat.
Nanoteknologian kvanttisimulaatiot ja mittaukset (qSIME) -profilointialue |
|
|
|
|
|
