qSIME - Nanoteknologian kvanttisimulaatiot ja mittaukset
³§¾±²õä±ô±ô²â²õ±ô³Ü±ð³Ù³Ù±ð±ô´Ç
Hankekuvaus
qSIME on yksi uusista profilointialueistamme, jota rahoittaa Suomen Akatemian kahdeksas profilointihaku. Sen tarkoituksena on kehittää ainutlaatuista monitieteellistä kvanttitutkimuksen profiiliamme vahvistamalla Nanotiedekeskuksen (NSC) olemassa olevaa tieteidenvälistä nanomateriaalitutkimusta ja yhdistämällä se IT-tiedekunnassa kehitettyyn kvanttitietotekniikkaan. qSIME koostuu kolmesta painopistealueesta:
- Kvanttisimulaatiot
- Kvanttiohjelmistot ja -algoritmit
- Kvanttimittaukset ja -valmistus
Tämä profilointialue tukee meidän vahvaa laskennallista nanotiedettä ja kokeellista kvanttimateriaalitutkimusta yhdistämällä kvanttisimulaatiot laskennallisiin menetelmiin ja parantamalla kokeellisia valmiuksia kvanttiteknologian huipputekniikoilla. qSIME:llä on merkittävä potentiaali kohottaa yliopistomme tutkimuksen tasoa näillä aloilla integroimalla monitieteinen nanotiedetutkimus edistyneeseen kvanttilaskentaan.
Ennen kaikkea qSIME pyrkii olemaan edelläkävijä soveltaessaan kvanttilaskentaa nanomateriaalien simuloinnissa.
qSIME:n johtaja on professori Jussi Toppari ja varajohtaja professori Teiko Heinosaari.
Kvanttisimulaatioiden painopistealue pyrkii viemään eteenpäin ja samalla varmistamaan jo ennestään vahvan laskennallisen nanotieteen osaamisen jatkuvuuden sisällyttämällä kvanttilaskennan menetelmiimme. Klassiset tietokoneet eivät pysty tarkasti simuloimaan laajennettua kvanttiaineista, mutta täysimittaiset kvanttitietokoneet ovat vielä tulossa. Sillä välin voimme edetä kohti täydellisiä kvanttisimulaatioita täydentämällä klassista laskentaa nykyisten NISQ (noisy intermediate scale quantum) -tason kvanttiprosessoreiden suorittamilla tehtävillä. Tämä painopistealue pyrkii toteuttamaan erityisiä kvanttisimulaatioalgoritmeja, jotka ovat merkityksellisiä kvanttinanomateriaalitutkimuksille, sen sijaan että kehitettäisiin yleisiä algoritmeja. Se vahvistaa yhteistyötä akateemisten yksiköidemme (NSC ja IT) välillä olennaisen tiedonvaihdon kautta, tukien muita NSC-ryhmiä ottamaan kvanttisimulaatiot käyttöön tutkimuksessaan, kuten saamaan uusia näkemyksiä biomolekyylien käyttäytymisestä, pintakatalyysistä tai mistä tahansa kvanttimateriaaleista.
Kvanttiohjelmistojen ja -algoritmien painopistealue pyrkii vastaamaan ajantasaisesti kvanttiohjelmistojen ja -algoritmien tutkimuksen kasvavaan kysyntään Suomessa ja maailmalla sekä luomaan täysimittaisen kvanttilaskentaympäristön laskennallisille tieteille. Algoritmit universaaleille kvanttitietokoneille olettavat rajattoman määrän kubitteja ja virheettömiä toimintoja, kun taas nopeasti kehittyvät algoritmit NISQ-tietokoneille tunnustavat rajalliset kubitit ja suoritusaikojen rajoitukset. Tämä painopistealue pyrkii kehittämään ja ottamaan käyttöön kvanttialgoritmeja, keskittyen variaatioihin perustuvien kvanttialgoritmien ja kvanttisimulaatioiden kehittämiseen. Se sisältää tutkimusta sopivista ohjelmointikielistä, varhaisista prototyypeistä ja infrastruktuureista, jotka mahdollistavat käyttöönoton monenlaisissa ympäristöissä, mukaan lukien HPC ja kvanttitietokoneet. Tavoitteena on suunnitella ja toteuttaa laitteistoriippumaton, täysimittainen kvanttilaskentaympäristö laskennallisille tieteilijöille, jossa ohjelmistot paketoidaan ja jaetaan oppimateriaalin kanssa.
Kvanttimittausten ja -valmistuksen painopistealue pyrkii parantamaan JYU:n kokeellisia valmiuksia ja vahvaa kvanttitutkimusta kvanttimittauksissa hyödynnettävien huipputekniikoiden sekä uusien kvanttinanomateriaalien valmistuksessa käytettävien nanovalmistusmenetelmien avulla. Tämä varmistaa, että JYU:n kokeellinen osaaminen pysyy alan kärjessä. Painopiste on sellaisten uusien fyysisten kubittien toteutuksessa, jotka edistävät seuraavan sukupolven kvanttitietokoneita, ja se on yhteydessä NSC:n yksityisen ja julkisen sektorin yhteiseen kvanttiteknologian tutkimuksen infrastruktuuriympäristöön. Tämä ympäristö, jota rahoittavat Business Finland ja yksityiset yritykset, tarjoaa kehittyneitä sähköisiä kvanttimittausvalmiuksia. Painopistealue hyödyntää tätä infrastruktuuria laajemmassa kvanttiekosysteemissä ja lisää nanovalmistusvalmiuksia, jotka ovat välttämättömiä nanoskaalan laitteiden ja seuraavan sukupolven kvanttiteknologioihin liittyvien prototyyppien toteuttamisessa. NSC:n monitieteinen tutkimus hyötyy parannetusta kokeellisesta kvantti-infrastruktuurista, tukien erittäin herkkien detektorien ja kehittyneiden biomolekyylien kehittämistä.
qSIME-profilointialue tukee jatkuvia pyrkimyksiämme integroida kvanttiteknologiaa yliopistomme koulutustoimintaan. Uusi kansainvälinen maisteriohjelma suurteholaskennassa kouluttaa monitieteisiä asiantuntijoita ja valmentaa tulevia tutkijoita ja asiantuntijoita kvanttilaskennan alalle. Tämä ohjelma järjestetään yhteistyössä matemaattis-luonnontieteellisen ja IT-tiedekuntien välillä, ja se on yhteydessä myös muihin koulutusmahdollisuuksiin, kuten kansainvälisiin maisteriohjelmiin koskien tekoälyä (AI) IT-tiedekunnassa ja nanotieteitä NSC:ssä (matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta). Tämä profilointialue tukee näitä toimintoja sekä uutta nanotieteen kandidaattiohjelmaa. Peruskoulutuksen lisäksi tutkijoita koulutetaan osana Suomen kansallista tohtorikoulutuspilottia, Qdocia, joka on yhteydessä Suomen kvanttilippulaivaan (FQF). Koulutamme myös kansalaisia kehittämällä helposti saatavilla olevia massiivisia avoimia verkkokursseja (MOOC), kuten kvanttilaskennan ABC. Tämä on ensimmäinen suomalainen kvanttilaskennan kurssi, joka on avoin kaikille kiinnostuneille.
Maksimoidaksemme yhteiskunnallisen vaikuttavuuden pyrimme tarjoamaan avointa pääsyä infrastruktuuriimme, ohjelmistoihimme ja julkaisuihimme JYU:n strategian mukaisesti. Kolmannen painopistealueen tavoitteena on auttaa ulkopuolisia käyttäjiä pääsemään käsiksi tulevaan avoimen pääsyn kvantti-infrastruktuuriympäristöön kvanttiteknologiayritysten T&K-toimintaa varten.
