Teiko Heinosaari: ”Nyt ei enää vain katsota, että siellä on kvantti-ilmiöitä meneillään”
Kvanttitietokoneiden tuotekehittely on vielä alkutaipaleellaan, mutta kvanttilaskennan professori Teiko Heinosaari on siirtynyt ajatuksissaan jo ensivaiheen laitteiden jälkeiseen aikaan.
”Nyt kehitteillä olevien koneiden perustavanlaatuiset rajoitukset jo ymmärretään, ja niiden hallitsemiseen kehitetään parhaillaan keinoja”, Heinosaari perustelee.
Heinosaari onkin ryhtynyt pohtimaan ”toisen kertaluokan kvanttitietokoneita” – esimerkiksi niihin liittyviä perustavanlaatuisia rajoituksia. Ensi alkuun sitä, mitä nämä haasteet voisivat olla.
Tällä hetkellä konekehityksen haasteet liittyvät häiriöille hyvin alttiiden kubittien – kvanttitietokoneen perusyksikköjen – hallintaan, virheenkorjausmenetelmien puutteisiin sekä esimerkiksi koneiden jäähdyttämiseen. Kvanttitietokone vaatii toimiakseen jopa -273 asteen lämpötilan.
Joko siis voidaan ennakoida, millaisia rajoituksia tulevien aikojen kvanttitietokoneilla voisi olla?
”Toisen kertaluokan kvanttitietokoneessa informaatiota ei koodata tiloihin vaan prosesseihin. Siinä tulee miettiväksi, että mitä kausaalisuus informaation prosessoinnissa viime kädessä tarkoittaa ja mitkä sen rajoitukset ovat”, kertoo Heinosaari.
Omalla tutkijanurallaan, 20 vuodessa, Heinosaari on nähnyt kvanttitietokoneiden kehittämisen suuren kaaren. Koneisiin on ladattu paljon odotuksia, ja ne ovat nyt toteutumassa.
”Väitöskirjani valmistumisen aikoihin vuonna 2005 yleisesti ajateltiin, että kvanttitietokoneet ovat paperilla mahdollisia. Nyt teknologian suhteen ollaan tilanteessa, jossa pieniä kvanttikoneita on jo olemassa ja suurempia rakennettaan koko ajan. Uutisia uusien kvanttikoneiden ennätyksistä putoilee tasaiseen tahtiin.”
Teoreettinen kvanttifyysikko tarvitsee kynää ja paperia
Kvanttitietokoneet ja niihin liittyvä teknologia eivät kuitenkaan ole Heinosaaren tutkimustyön ydintä. Usein hän aiheesta keskustelee, sillä koneet ovat kvantti-ilmiöiden maailmassa konkretiaa, joista häneltä useimmin myös kysytään. Niistä moni keskustelu myös alkaa.
Heinosaari on taustaltaan teoreettinen kvanttifyysikko, ja kvantti-ilmiöiden suhteen hänen syvin kiinnostuksensa kohdistuu kvantti-informaation ja kvanttilaskennan yhteyteen.
Heinosaari sanoo, että hän etsii yhä parempaa ymmärrystä informaation, laskennan ja kvanttifysiikan yhtymäkohdista.
Mitä tämä tarkoittaa?
”Informaatio ja laskenta ovat käsitteitä, jotka saavat merkityksensä ihmisen toiminnasta. Perinteisesti fysiikkaa on kuitenkin pidetty tieteenä, joka on riippumatonta tarkkailijan roolista. Kvanttifysiikka haastaa tämän näkemyksen ja kyseenalaistaa informaation erillisyyden fysiikasta”, sanoo Heinosaari.
”Informaatio ei voi olla olemassa ilman fysikaalista kappaletta, joka toimii sen kantajana. Tästä syystä fysiikan lait viime kädessä määrittävät ne rajat, joiden puitteissa informaatiota voidaan prosessoida.”
Heinosaari aloitti kvanttilaskennan professorina Jyväskylän yliopiston informaatioteknologian tiedekunnassa vuonna 2023. Se on osoittautunut mieluisaksi työympäristöksi.
”Täällä tuntuu siltä, että olen informaation ja matematiikan ympäröimänä”, Heinosaari kuvailee.
ճٰܳ쾱ܲäԲäkanssa hän tutkii hybridilaskentaa, kvanttiohjelmistoja ja kvanttiresursseja.
Käytännön työmenetelmissä Heinosaari itse luottaa kynään ja paperiin. Niillä hän ratkoo parhaillaan muun muassa seuraavanlaisia ongelmia: Miten tavallinen tietokone ja kvanttitietokone laskevat parhaiten yhdessä? Millä tavalla kvanttimittausten jaksottaminen voi parantaa informaation prosessointia? Minkälaisissa informaation prosessoinnin tehtävissä kvantti-ilmiöistä voi olla hyötyä?
Kvanttitutkimuksessa on siirrytty tarkkailijan roolista toimintaan
Kvanttitutkimuksessa eletään vuonna 2025 merkkivuotta. Yhdistyneiden Kansakuntien (YK) kasvatus-, tiede- ja kulttuurijärjestö Unesco on ottanut kvanttiteknologian vuoden teemakseen. Tänä vuonna myös fysiikan perusteoria, kvanttimekaniikka, täyttää 100 vuotta.
Teoria toi atomien ja niitä pienempien hiukkasten toiminnan kuvaamiseen muun muassa kvantittumisen, äٲܳܲٳٱ, kietoutumisen ja superposition äٳٱ.&Բ;
”Ensin teoriaa käytettiin materiaalien rakenteen ymmärtämiseen ja valon ja materian vuorovaikutuksen selittämiseen. Nyt ymmärrämme kietoutumisen ja superposition fysikaalisina resursseina, jotka avaavat ovet uudenlaiseen kvanttimaailmaan”, Teiko Heinosaari kiteyttää.
Kvanttitutkimuksessa on siirrytty tarkkailijan roolista toimintaan:
”Nyt ei enää vain katsota, että siellä on kvantti-ilmiöitä meneillään. Teorian perusteella voidaan rakentaa erilaisia kvanttisysteemeitä eli pieniä ja herkkiä kvanttifysiikkaa noudattavia fysikaalisia systeemejä. Niiden ominaisuuksia hyödyntämällä voidaan rakentaa kvanttiteknologisia sovelluksia.”
Kvanttisysteemejä rakennetaan Jyväskylän yliopistossakin. Jyväskylän yliopisto on mukana Suomen kvanttilippulaivassa, joka kokoaa suomalaiset kvanttitutkimuksen huiput. Jyväskylässä tutkimus keskittyy kvanttimateriaaleihin, piipohjaisiin kvanttiteknologioihin, kvanttialgoritmien ja -ohjelmistojen suunnitteluun ja kvanttiteknologioiden yhteiskunnallisiin vaikutuksiin. Jyväskylässä lippulaivan vastuututkijana on professori Tero Heikkilä.
”On ainutlaatuista, että Jyväskylässä kvanttitutkimus yhdistää tieteenaloja ja työtä tehdään kolmessa tiedekunnassa”, Heinosaari sanoo.
Kvanttiteknologian murroskohdassa tarvitaan paljon näkökulmia
Kvanttitiedon jakaminen ja opettaminen kuuluvat Teiko Heinosaarelle mieluisiin tehtäviin tutkimuksen ohessa.
Kvanttiteknologian kehittämisessä eletään hänen mukaansa nyt sellaista vaihetta, että tutkimusyhteisöissä tarvittaisiin aiheeseen paljon näkökulmia ja uusia ajatuksia. Heinosaari on kääntänyt katseen muun muassa kauppatieteilijöihin, humanisteihin ja yhteiskuntatieteilijöihin.
”Nyt on aika miettiä, mitä kaikella kvanttiteknologioilla ja kvantti-informaatioilla tehdään. Mihin teknologiaa käytetään? Miten saadaan kvanttiteknologia hyötykäyttöön? Yhdessä voimme löytää tähän vastauksia.”
Suomelle siitä voi tulla merkittävä teollisuuden ala.
”Kvanttiteknologia on kortti, joka on käännettävä. Uudet teknologiat saattavat mullistaa tietoturvan, optimoinnin, energian kulutuksen ja teknologioiden yhteisvaikutukset. Niillä voi olla ratkaiseva vaikutus vaikkapa lääkkeiden tai materiaalien kehitykseen”, hän listaa.
Välillä on hyvä pysähtyä kello viiden teelle
Kvanttilaskennan professori etsii koko ajan uusia tapoja uusien yleisöjen tavoittamiseen. Heinosaari on ahkera kvanttitutkimuksen yleistajuistaja, tekstien kirjoittaja, opintokurssien suunnittelija ja niistä viestijä.
Kerran kuukaudessa hän istahtaa jyväskyläläisen teehuoneen, Teeleidin, yläkertaan isännöimään kello viiden kvanttiteetä.
Siellä hän tai joku kollegoista esitelmöi lyhyesti kvantti-ilmiöistä ja keskustelee mistä vain aiheeseen liittyvästä. Kvantti-ilmiöt ovat vaikeita, mutta Heinosaari käyttää tottuneesti vertauksia ja kielikuvia asioiden selittämiseen.
Niitä on luvassa myös blogisarjassa, jonka Heinosaari on luvannut kirjoittaa Jyväskylän yliopiston tieteen digilehden Tiedonportin seuraajille. Tulossa on kolme kirjoitusta, jossa tutkailtavina on kolme kvanttifysiikan ja kvanttiteknologian kannalta aivan keskeistä asiaa.
”Nämä ovat sellaisia käsitteitä tai aiheita, jotka kvanttifysiikasta olisi hyvä ymmärtää. Niistä on hyvä jatkaa eteenpäin”, Heinosaari sanoo.
Ensimmäisessä kirjoituksessaan hän käsittelee superpositiota.
