Risto Nieminen

Kvanttiteknologian tiedeisku

Kvanttimekaniikka syntyi mullistavana ideana 100 vuotta sitten selitykseksi fyysikoiden ja kemistien havainnoille atomien, elektronien ja valon maailmasta. Seuraavina vuosikymmeninä se kehittyi toimivaksi ja tarkaksi teoriaksi materialle ja sen vuorovaikutuksille ympäristönsä kanssa. Kvanttimekaniikasta tuli tukeva alusta rakentaa kvantitatiivinen ymmärrys alkeishiukkasten, ytimien, atomien, molekyylien ja materiaalien ominaisuuksista. Kvanttimekaniikka mahdollisti transistorin, laserin, ydinteknologian, lääketieteen kuvantamismenetelmät ja paljon muuta. Se kertoo universumin ominaisuuksista ja toimii biologisten systeemien ”käyttöjärjestelmänä”. Kvanttimekaniikan soveltaminen on laskennallisesti vaativaa. Se avaa kuitenkin materian salat tehokkaita tietokoneita käyttäen ja vuosikymmenten aikana kertynyttä ja yhä kertyvää dataa koneoppimisen avulla hyödyntäen. 

”Kvanttimekaniikka syntyi mullistavana ideana 100 vuotta sitten selitykseksi fyysikoiden ja kemistien havainnoille atomien, elektronien ja valon maailmasta.”

Kvanttimekaniikkaan voi suhtautua pragmaattisesti koneistona aineen fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien ennustamiseksi. Sillä on kuitenkin myös toinen, arkikokemuksen näkökulmasta epäintuitiivinen olemus, joka on synnyttänyt paljon keskustelua teorian tulkinnasta ja filosofista pohdiskelua fysikaalisen todellisuuden luonteesta. Kvanttimekaanisen objektin tilan kuvaukset sisältävät eri mahdollisuuksien samanaikaisuutta (superpositiota) sekä toisistaan etääntyneiden osien välistä ei-lokaalista korrelaatiota (lomittumista). Kvanttimekaaninen objekti käyttäytyy toisaalta aaltoliikkeen, toisaalta partikkelin tavoin.  

Kvanttiteorian soveltajilla on ollut taipumus sysätä nämä pohdiskelut syrjään ja keskittyä empiristiseen tulkintaan: teoria on vain väline, joka yhdistää empiiriset havainnot toisiinsa. David Merminin sanoin: ”Shut up and calculate”. Kvanttimekaniikan formalismi koodaa havaintomme kvanttisysteemeistä siten, että voimme laskea havaittavien suureiden todennäköisyydet. Tämän formalismin tehokkuus ja tarkkuus ovat kiistattomat. 

”Kvanttiteorian soveltajilla on ollut taipumus sysätä nämä pohdiskelut syrjään ja keskittyä empiristiseen tulkintaan.”

Superpositio ja lomittuminen ovat kuitenkin todellisia ilmiöitä, joiden seuraukset on kokeellisesti kiistatta todennettu (vuoden 2022 fysiikan Nobel-palkinto annettiin juuri näistä tuloksista). Voidaan sanoa, että näiden ei-intuitiivisten ilmiöiden laajamittainen tutkimus on tuonut mukanaan toisen kvanttimekaniikan vallankumouksen viime vuosikymmeninä – ensimmäinen oli sen voittokulku aineen rakenteen selittäjänä. Kvanttimekaniikka kaikkine piirteineen toimii ja meidän on se hyväksyttävä. Ehkäpä ei-intuitiivisuuden kokemus vain heijastaa rajoittuneisuuttamme ja haastaa pohtimaan koulutuksen ja yleissivistyksen kehittämisen tarvetta. Carlo Rovelli on kirjassaan Helgoland (Penguin Books 2022) upeasti kuvannut kvanttifysiikan outoa ja kaunista tarinaa sekä sen merkitystä maailmankuvallemme. 

Kvanttiteknologia pyrkii hyödyntämään kvantti-ilmiöitä — superpositiota, lomittumista ja tunneloitumista – informaation käsittelyssä ja telekommunikaatiossa, ultratarkoissa sensoreissa ja antureissa, kuvantamislaitteissa ja muissa sovelluksissa. Kvanttiteknologian viime vuosien nopea kehitys on sysännyt liikkeelle laajoja tutkimusohjelmia ja globaalin kilpajuoksun.

”Ehkäpä ei-intuitiivisuuden kokemus vai heijastaa rajoittuneisuuttamme ja haastaa pohtimaan koulutuksen ja yleissivistyksen kehittämisen tarvetta.”

Suomi on kvanttiteknologian pieni suurmaa; suprajohtavuuden, kryogeniikan ja mikroelektroniikan tutkimuksen perinteet ovat pitkät, ja materiaalifysiikan tutkimus huipputasoa. Alalle on syntynyt menestyvää liiketoimintaa ja startup-yrityksiä.  Ensimmäiset kvanttitietokoneet on rakennettu ja kytketty osaksi suurteholaskennan maailmanluokan infrastruktuuria.  Vuosikymmenten määrätietoinen työ kantaa hedelmää. 

Suomalainen Tiedeakatemia käynnisti osana tiedeneuvonnan kehittämishanketta kvanttiteknologiaa käsittelevän tiedeiskuhankkeen, jonka tulos on nyt valmis. Työhön osallistui kvanttifysiikan ja -teknologian asiantuntijoista, tiedehallinnon ja yritysten edustajista ja muista sidosryhmistä koottu tukiryhmä sekä työpajat. Kiitän kaikkia innokkaasta osallistumisesta! 

Risto Nieminen 

Kirjoittaja on Aalto-yliopiston fysiikan professori (emeritus), tieteen akateemikko ja Suomalaisen Tiedeakatemian kunniajäsen. Nieminen johti työskentelyä Tiedeakatemian Kvanttiteknologia-tiedeiskussa.