Teksti julkaistiin ensimmäistä kertaa Tiede & Taide -lehden numerossa 2/2024. Koko lehden voit lukea näköislehtenä verkossa. 

Teksti: Antti Kivimäki
Kuvat: Sami Mannerheimo

Kvanttiteknologian tutkimuksessa suurimman huomion vie kvanttitietokoneen kehittely. Professori Jukka Pekola liputtaa kuitenkin myös alan perustutkimuksen puolesta. Ala on nuori, täynnä epävarmuuksia, ja matkan varrella tulee varmasti sovelluskohteita, joita ei vielä voi edes kuvitella. 

Kvanttiteknologia on nyt kuuma aihe, mikä näkyy tieteen rahoituksessa. Hallituksen tavoitteessa kouluttaa 1000 uutta tohtoria 90 tohtorikoulutettavaa tutkii kvanttitiedettä ja -teknologiaa. 

Luonnon kvanttimekaniikka oivallettiin noin sata vuotta sitten. Kvantti tulee latinan sanasta quantum eli ”kuinka paljon”. Mikromaailmassa energiaa ei voi siirtyä mikä tahansa määrä, vaan tietty määrä eli kvantti kerrallaan. 

Puoli vuosisataa sitten alettiin tajuta, että kvantti-ilmiöitä voi esiintyä myös atomitasoa isommissa systeemeissä, kuten suprajohtavissa ihmisen tekemissä rakenteissa, joita valmistetaan puolijohdeteollisuudesta tutuilla laitteilla. Suprajohteet ovat aineita, joiden kyky vastustaa sähköä katoaa tietyn lämpötilan alapuolella. 

”Suprajohteista voidaan rakentaa ’keinotekoisia atomeja’, joissa kvantittumista ja kvanttidynamiikkaa voidaan hallita ulkoisten sähkö- ja magneettikenttien avulla ja tätä kautta hyödyntää”, sanoo Aalto-yliopiston kvanttinanofysiikan professori Jukka Pekola. 

”Pienen kannattaa tehdä jotain valtavirrasta poikkeavaa.”

Hän myös johtaa Suomen Akatemian kvanttiteknologian huippuyksikköä, jossa on mukana kahdeksan tutkimusryhmää Aalto-yliopistosta, kaksi Teknologian tutkimuskeskus VTT:stä ja yksi Helsingin yliopistosta.

Vaikka kvanttitiede ja -teknologia on laaja tutkimusalue, suuri yleisö tuntee lähinnä yhden sen suurista haasteista, kvanttitietokoneen.

Suprajohteista rakennetaan kvanttitietokoneen perusosasia, kvanttibittejä eli kubitteja. Ne ovat paljain silmin erottuvia, tyypillisesti millimetriluokan komponentteja, joiden läpi saadaan kulkemaan sähkövirta niin, että virralla on kaksi selvästi toisistaan erottuvaa tilaa. 

Tämä vastaisi perustietokoneen bittiä, nollaa ja ykköstä, mutta kubitilla on lisäksi niin sanottu superpositiotila, jossa se on yhtä aikaa nolla ja ykkönen. Kun kubitin tilan mittaa, se kuitenkin antaa tulokseksi joko nollan tai ykkösen. Kubittiin syötetyistä ärsykkeistä ja ulkoisista häiriöistä riippuu se, millä todennäköisyydellä se antaa kunkin tuloksen.

Kubitit myös niin sanotusti lomittuvat keskenään eli toimivat kuin olisivat yhtä yksikköä, vaikka olisivat fyysisesti hyvinkin kaukana toisistaan. Tällöin yhden kubitin tilan mittaaminen määrää toisen kubitin tilan mittaustuloksen.

Kubitti ja kvanttimaailma ylipäätään poikkeavat siis siitä, mitä yleensä ympärillämme havaitsemme. Superposition ja lomittumisen ansiosta kvanttitietokone on erilainen kuin klassinen tietokone, ja sen avulla on ehdotettu ratkaistavan muun muassa salausjärjestelmiin ja hakuprosesseihin liittyviä erityistehtäviä eksponentiaalisesti tehokkaammin kuin perinteisellä tietokoneella. Vaikka kvanttitietokone toimisi täydellisesti, sitä ei käytettäisi yleistietokoneen tavoin.

Nykyisissä laitteissa kvanttiprosessori eli kubittien keskittymä on tyypillisesti pieni palikka. Se kuitenkin tarvitsee ympärilleen suuren laitteiston, joka pyrkii suojaamaan kubitteja satunnaisilta ärsykkeiltä, kuten taustasäteilyltä ja lämpökohinalta, ja samalla tuottamaan niihin haluttua ja täsmällistä ärsykettä, kuten kontrollijännitteitä. VTT:n tiloissa Otaniemessä oleva 20 kubitin kvanttitietokone on rakennettu näin. Huone täyttyy laitteista, joilla kvanttiprosessoria viilennetään, säädetään ja monitoroidaan.

Kubitit ovat herkkiä ulkoisille häiriöille. Vuonna 1999 japanilaisen elektroniikkayrityksen NEC:n kokeissa suprajohtava kubitti kesti kvanttitilassaan noin nanosekunnin. Sitä pidettiin silloin merkittävänä virstanpylväänä.

”Nyt kubitti kestää kvanttitilassa parhaimmillaan noin millisekunnin, eli parannus on miljoonakertainen. Kubitin eliniän tulee olla paljon pidempi kuin laskentaan vaadittava aika, ja siksi elinikää pyritään yhä kasvattamaan”, Pekola sanoo.

”Kvanttilaskennan perusta on teoriassa hieno, ja ala on alati läpimurron kynnyksellä. Silti emme voi varmasti tietää, voitetaanko tekniset rajoitukset ja lyökö kvanttitietokone teollisesti läpi.”

Pekola syntyi vuonna 1958 Keski-Suomessa. Perheellä ei ollut akateemista taustaa, mutta Pekola menestyi koulussa hyvin. Innostavat opettajat Haapamäen yhteislyseossa tukivat pojan kiinnostusta fysiikkaan ja eksakteihin luonnontieteisiin.  

Ensimmäiselle ulkomaanmatkalleen Pekola pääsi vuonna 1976 lukiolaisten fysiikkaolympialaisiin Tšekkoslovakian Prahaan ja toi mukanaan hopeamitalin. 

”Ensimmäisessä tehtävässä piti kytkeä sähköisiä piirejä manuaalisesti, ’johdot käteen’ -periaatteella. Se oli siinä vaiheessa kovin vierasta, mutta jotenkin arvailin oikein. Luonnontieteet ja erityisesti fysiikka olivat minulle luontevin uravalinta, vaikka vanhemmat halusivatkin minun tähtäävän lääkärin tai papin ammattiin.”

”Minua auttoi, että olin kasvanut kohtalaisen vaatimattomissa oloissa ja tottunut kovaan työhön.”

Pekola hakeutui Teknilliseen korkeakouluun teknillisen fysiikan laitokselle, koska se oli tunnetusti Suomessa se fysiikan opinahjo, johon oli vaikeinta päästä sisään. Opinnot sujuivat hyvin, ja seuraavaksi hän jo tähtäsi Teknillisen korkeakoulun professorin Olli V. Lounasmaan kylmälaboratorioon kesäharjoitteluun. 

Kylmälaboratorio oli jo 1980-luvulla kansainvälisesti tunnettu fysiikan tutkimusyksikkö. Siellä oli tehtailtu kylmyyden maailmanennätyksiä ja kehitetty aivojen toiminnan magneettikuvausteknologiaa (MEG), jota yhä hyödynnetään tutkimus- ja potilaskäytössä. 

”Minua auttoi, että olin kasvanut kohtalaisen vaatimattomissa oloissa ja tottunut kovaan työhön. Myös tutkimuksessa vaaditaan kovaa työmoraalia, jotta pysyy kilpailussa mukana.”

Lue koko artikkeli verkkolehdestä