Veijo Hänninen

Kvanttitietokoneet ja suurteholaskenta yhdistävät voimiaan

Aikoinaan kvanttitietokoneet saavuttivat paljon hypeä mutta nyt superlaskenta ja kvanttitietokoneet ovat päätymässä yhteistyöhön ja mukaan huolitaan jo tekoälytekniikkaakin.

IBM julkisti äskettäin alan ensimmäisen julkisen kvanttikeskeisen supertietokoneiden referenssiarkkitehtuurin eli järjestelmällisen suunnitelman kvanttilaskennan integroimiseksi nykyaikaisiin supertietokoneympäristöihin.

Arkkitehtuuri osoittaa, kuinka kvanttiprosessorit (QPU:t) voivat toimia rinnakkain näytönohjainten ja suorittimien kanssa – paikallisissa järjestelmissä, tutkimuskeskuksissa ja pilvessä – ratkaistakseen tieteellisiä haasteita, joita mikään yksittäinen laskentamenetelmä ei pysty ratkaisemaan yksinään.

Työkuormia sovitellen

Nykypäivän työkuormia varten suunniteltu ja ajan myötä kehittyvä IBM arkkitehtuuri yhdistää kvantti- ja klassiset järjestelmät yhtenäiseksi laskentaympäristöksi. Se yhdistää kvanttilaitteiston tehokkaaseen klassiseen infrastruktuuriin, mukaan lukien CPU- ja GPU-klusterit, nopeat verkot ja jaetun tallennuksen, tukeakseen laskennallisesti intensiivisiä työkuormia ja algoritmitutkimusta.

Tämän perustan lisäksi IBM:n lähestymistapa mahdollistaa koordinoidut työnkulut, jotka kattavat kvanttisen ja klassisen laskennan. Integroitu orkestrointi ja avoimet ohjelmistokehykset, kuten Qiskit, antavat kehittäjille ja tutkijoille mahdollisuuden käyttää kvanttiominaisuuksia tuttujen työkalujen ja työnkulkujen kautta, mikä helpottaa kvanttilaskennan soveltamista ongelmiin esimerkiksi kemian, materiaalitieteen ja optimoinnin aloilla.

”Yli neljä vuosikymmentä sitten Richard Feynman visioi tietokoneita, jotka voisivat simuloida kvanttifysiikkaa”, toteaa aiheen tiedotteessa Jay Gambetta, IBM:n tutkimusjohtaja. ”IBM:llä olemme käyttäneet vuosia tämän vision toteuttamiseen. Nykypäivän kvanttiprosessorit alkavat ratkaista tieteellisten ongelmien vaikeimpia osia – niitä, joita kemiassa hallitsee kvanttimekaniikka.

Kvanttikemia on yhä kompastuskivi

Phys.org -tiedeuutissivujen Krystal Kasal kirjoittaa, että vaikka kvanttilaskennan potentiaaliset sovellukset ovat laajalle levinneitä, uusi toteutettavuustutkimus viittaa siihen, että kvanttitietokoneet kohtaavat edelleen merkittäviä esteitä kvanttikemian ongelmien ratkaisemisessa.

Physical Review B -lehdessä julkaistu tutkimus arvioi, mitä kriteerejä tarvitaan kvanttiedulle molekyylien perustilan energian etsimisessä. Tutkijat yrittävät tätä saavutusta käyttämällä kahta eri algoritmia, joilla on erilaiset vahvuudet ja heikkoudet.

Niiden kautta tehtyjen kokeiden tulokset osoittivat, että VQE-algoritmi on erittäin herkkä laitteistovirheille ja dekoherenssille. Tutkimusryhmän mukaan kemiallisen tarkkuuden saavuttaminen edellyttäisi huomattavasti nykyistä laitteistokapasiteettia alhaisempia virhemääriä. Käytettävissä olevat virheiden lieventämistekniikat tarjoavat vain rajallisia parannuksia ja skaalautuvat huonosti järjestelmän koon kanssa.

Tutkimuspaperissaan he toteavat "Havaitsemme, että dekoherenssi on erittäin haitallista VQE:n tarkkuudelle ja asiaankuuluvien kemiallisten laskelmien suorittaminen vaatisi suorituskykyä, jota odotetaan vikasietoisilta kvanttitietokoneilta mutta ei kohinaisilta laitteistoilta, eikä edes edistyneillä virheenlieventämistekniikoilla".

Kasal kirjoittaa, että klassisella laskennalla on edelleen etulyöntiasema: Tällä hetkellä klassiset algoritmit, kuten variaatioalgoritmi Monte Carlo (VMC), ovat edelleen VQE:tä parempia jopa täydellisellä kvanttilaitteistolla, ja QPE-algoritmin on vielä voitettava ortogonaalisuuskatastrofi.

Tutkimuksen tekijät kirjoittavat: "Nämä havainnot voivat myös viitata siihen, että perustilan arviointi kemiassa ei ehkä ole sopivin kohde kvanttitietokoneille. Artikkelissa esiteltyjen kvanttiprosessoreiden ongelmien lisäksi tämä väite johtuu myös klassisten tilanvalmistusmenetelmien suhteellisen hyvästä laadusta."

Hybridiset kvanttiklassiset algoritmit ja uudet virheenkorjausmenetelmät voivat kuitenkin tarjota vähittäisiä parannuksia tulevaisuudessa. Käytännön kvanttiedun löytämiseksi kemiassa tarvitaan vielä lisätutkimusta päättelevät tutkijat Krystal Kasalin artikkelissa.

Monentasoista yhteistyötä

Nykytekniikoiden voimien yhdistämistä tapahtuu myös pienemmissä organisaatioissa.

Esimerkiksi elokuussa 2025 Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridge National Laboratory (ORNL) kertoi valinneensa IQM Radiancen ensimmäiseksi hankinnaksi paikallisesti käytettäväksi kvanttitietokoneeksi, joka integroidaan ORNL:n suurteholaskentajärjestelmiin (HPC).

Kyseessä on IQM Radiancen 20-kubittinen kvanttitietokone ja sen tavoitteena on nopeuttaa hybridikvanttiklassisten sovellusten kehitystä. Kvanttitietokone toimitettiin vuoden 2025 kolmannella neljänneksellä, ja sitä voidaan päivittää tulevaisuudessa suurempiin kubittimääriin.

IQM Radiancen hankinta tukee ORNL:n missiota pyrkiä saumattomaan ja tiiviiseen integraatioon kvanttilaskentalaitteiston ja HPC-infrastruktuurin välillä.

”ORNL:llä on vuosikymmenten historia suurteholaskennassa, ja se on nykyään yksi Yhdysvaltojen johtavista kvanttilaskennan tutkimuslaitoksista”, sanoo aiheen tiedotteessa Travis Humble, QCUP:n neuvonantaja ja ORNL:n kvanttitiedekeskuksen johtaja. ”IQM:n paikallinen asennus antaa tutkijoillemme käytännön pääsyn huippuluokan kvanttilaskentateknologiaan, kun tutkimme, miten kvanttitietokoneet voidaan integroida HPC-järjestelmiin varhaisen kvanttiedun saavuttamiseksi.”

Yhteistyötä tapahtuu myös toiseen suuntaan

Kvanttitietokoneiden ja suurteholaskennan yhteistyö sujuu myös toiseen suuntaan.

Esimerkiksi CSC:n LUMI-supertietokone on vahdittanut IQM:n kvanttiprosessoreiden optimointia. Yhteistyössä hyödynnettiin CSCn kehittämää Elmer-ohjelmistoa, joka pohjautuu FEM (finite element method) –menetelmään.

Kvanttiprosessoriyksiköiden (QPU) simulointi loi jopa uusia haasteita Elmer-simuloinnille, koska geometriat ovat monimutkaisia ja materiaalimallit epätavallisia.

Tiedotelausunnoista päätellen yhteistyö on hyödyntänyt molempia osapuolia.

”On ollut hienoa nähdä, miten Elmer-ohjelmistoamme on hyödynnetty kvanttiprosessoreiden mallintamisessa. Tätä käyttökohdetta ei varsinaisesti suunniteltu, kun fysikaaliset mallit lisättiin ohjelmistoon vuosia sitten”, sanoo Peter Råback, joka vastaa Elmerin kehittämisestä CSC:llä.

”Olemme Elmerin avulla pystyneet tekemään monimutkaisia klassisia sähkömagneettisia simulaatioita optimoidaksemme QPU-komponenttejamme. Tämä on johtanut merkittäviin parannuksiin tuotekehityksessämme”, sanoo Juha Hassel, IQM:n kvanttiteknologioista vastaava johtaja.

Yhteistyötä myös eurooppalaisella tasolla

Eurooppalainen EuroHPC-yhteisyritys on Euroopan unionin yksikkö, joka kokoaa yhteen Euroopan unionin, osallistujavaltiot ja yksityiset tahot koordinoimaan toimia ja yhdistämään resursseja, jotta Euroopasta tulisi maailman johtava toimija supertietokoneiden, kvanttilaskennan ja tekoälyn alalla.

Varustaakseen Euroopan huippuluokan laskenta- ja datainfrastruktuurilla EuroHPC-yhteisyritys on jo hankkinut 11 supertietokonetta eri puolilla Eurooppaa. Kolme EuroHPC-supertietokonetta on nyt maailman kymmenen tehokkaimman joukossa.

Eurooppalaiset tiedemiehet ja julkisen sektorin ja teollisuuden käyttäjät voivat hyödyntää näitä EuroHPC-supertietokoneita sijainnistaan riippumatta, mikä edistää tiedettä ja tukee monenlaisten teollisten, tieteellisten ja yhteiskunnallisesti hyödyllisten sovellusten kehittämistä.

EuroHPC-yhteisyritys on myös perustamassa 13 niin kutsuttua tekoälytehdasta eri puolille Eurooppaa, jotka tarjoavat räätälöityä tukea maksutta pienille ja keskisuurille yrityksille sekä startup-yrityksille.

EuroHPC-junioriyritys aikoo asentaa myös 10 kvanttitietokonetta valittuihin jäsenvaltioihin, ja yksi ensimmäisistä on syksyllä toimitettu VLQ, jonka rakentanut IQM Quantum Computers.

VLQ sisältää 24 fyysistä kubittia tähtimäisessä topologiassa. Tällainen arkkitehtuuri tarjoaa yhteyden kaikkien kubittien välille, mikä lisää merkittävästi kvanttilaskennan tehokkuutta ja erottaa VLQ:n kilpailevista järjestelmistä. Arkkitehtuuri tarjoaa myös laskennallista hyötyä minimoimalla swap-operaatioiden määrän.

Tsekin Ostravan teknilliseen yliopistoon asennetun VLQn kustansi EUroHPC ja LUMI-Q-konsortio, johon kuuluun kolmetoista kumppania kahdeksasta Euroopan maasta.

Vielä tänä vuonna 150 eurokubittia

Uusin IQM:n saavutus on yhtiön Reliance-kvanttikoneen toimitus helmikuussa EuroHPC-yhteisyrityksen Leibniz-supertietokonekeskukseen (LRZ) Münchenissä.

Järjestelmä perustuu IQM:n Radiance-alustaan ja siinä on 54 suprajohtavaa kubittia. Euro-Q-Exaksi nimettyä järjestelmää täydennetään toisella, tehokkaammalla 150 kubitin järjestelmällä vuoden 2026 loppuun mennessä, mikä laajentaa entisestään Euroopan operatiivista kvanttikapasiteettia.

Professori Dieter Kranzlmüller, LRZ:n hallituksen puheenjohtaja: ”Euro-Q-Exan avulla yhdistämme kvantti- ja supertietokoneiden vahvuudet. Tämä antaa tutkijoille mahdollisuuden testata uusia lähestymistapoja ja toteuttaa uraauurtavia laskelmia, mikä avaa uusia tieteellisiä ulottuvuuksia eurooppalaisen teknologian avulla. Me LRZ:ssä odotamme innolla jännittävien tutkimusprojektien aloittamista ja uusien näkemysten saamista.”