Kvanttilaskenta luo uusia mahdollisuuksia

Olli Hatakka, Mikko Hyttinen, Jarmo Talvivaara

Ammattikorkeakoulut ovat kohtaamassa kvanttitietokoneiden ja kvanttilaskentapalveluiden yleistyessä etenkin ICT-opetuksen kehittämisen kannalta suuren haasteen, mutta myös valtavan kehityspotentiaalin. ICT alan koulutuksissa käytetyt teknologiat, paradigmat ja muut ratkaisut pohjaavat valtaosin ns. klassiseen laskennan (eng. classical computing) periaatteisiin. Nämä periaatteet vaikuttavat ratkaisuihin aina kevyimmistä mobiilisovelluksista HPC- suurkonelaskentaan saakka, niin sovellus- ja pelikehityksen kuin data-analytiikan, automaation ja koneoppimisen toteuttamisessa. Klassiselle laskennalle on tietojenkäsittelytieteen ja tietotekniikan tutkimuksessa tunnistettu jo vuosikymmeniä sellaisia ongelmia, joita ei voida ratkaista joko ollenkaan tai toimivan ratkaisun suorittaminen vie käytännössä mahdottoman ajan. Kvanttilaskenta sisältää mahdollisuuksia näiden klassisen laskennan rajoitusten poistamiseen ja myös uusien sovellutusten luomiseen.

Kvanttilaskenta tulee yleistyessään todennäköisesti olemaan yksi tietoteknisesti suurimmista läpimurroista sitten klassisen laskennan, transistorin, integroitujen piirien, Internetin ja muiden nykyaikaisen tietotekniikan perusteet muodostavien keksintöjen jälkeen. Kvanttilaskenta tulee oletettavasti aiheuttamaan merkittävän disruption sekä ICT-alalla itsessään, että myös niissä toimialoissa ja sovelluskohteissa, joissa tieto- ja viestintäteknisiä ratkaisuja sovelletaan.

Ammattikorkeakouluissa tuleva muutos tulee todennäköisesti koskemaan kaikkia koulutus- ja toimialoja.  Haasteena on, että kvanttilaskentaa ei juurikaan opeteta tällä hetkellä ammattikorkeakoulussa, eikä siihen liittyvää (etenkin suomenkielistä) opetusmateriaalia ole merkittävissä määrin saatavilla.

Yritykset tarvitsevat lisää tietoa alan kehityksestä ja tietoa sovellusalueista, joissa kvanttilaskentaa voisi hyödyntää. Vielä toistaiseksi teollisuudesta sekä muilta työelämän toimialoilta puuttuu erityisesti kvanttilaskennan ennakointiin ja mahdollisuuksiin liittyvää tietoa, osaamista sekä kehittämisverkostoja.

Helposti saavutettavien kvanttilaskentapalveluiden (Quantum Computing-as-a-Service) kehitys on voimistunut merkittävästi parin viimeisen vuoden aikana. Kvanttilaskentapalveluiden arvioidaan olevan eri toimialueille käyttöönotettavaa tekniikkaa seuraavien vuosien aikana (optimistinen arvio 2-3 vuotta, varovainen arvio 5-10 vuotta). Kvanttilaskentapalveluiden käyttöönotto ja etenkin hyödyntäminen aitoihin sovelluskohteisiin vaatii uudenlaista osaamista ICT-, liiketoiminta- ja ongelmanratkaisuosaamisen näkökulmista.

Karelian Kvantti-hanke

Karelia-ammattikorkeakoulussa on käynnistetty ESR-rahoitteinen selvitystyöhanke, ”KvanttiKarelia – Kvanttilaskentaan perustuvat tulevaisuuden liiketoiminta- ja palvelumahdollisuudet”.  Hankkeessa perehdytään erityisesti pilvipalveluina tarjottaviin kvanttilaskentapalveluihin (QaaS) ja niiden sovelluksiin. Lisäksi tuotetaan opetus- ja koulutusmateriaalia niin korkeakouluopetus- että yrityskoulutuskäyttöön.

Selvityshanke käynnistyi 1.10.2020 ja se kestää vuoden 2021 syksyyn. Hankkeen tavoitteena on:

• selvittää kvanttilaskennan nykytilaa, kehittymistä ja tulevaisuuden mahdollisuuksia
• selvittää kvanttilaskennan keskeiset käsitteet
• kartoittaa aiheeseen liittyviä kotimaisia ja kansainvälisiä verkostoja
• verkostoitua alan tärkeimpien toimijoiden kanssa sekä
• tuottaa geneerinen mikromoduulikurssi kvanttilaskennasta

Hanke ottaa kantaa kvanttilaskentaosaamisen kehittämiseen sekä esittää mahdollisuuksia koulutuksen ja tietämyksen lisäämiseen, erityisesti tulevaisuuden korkeakoulutuksen osalta. Hankkeen aikana kerätään ajantasainen tietokokonaisuus kvanttilaskennasta erilaisia sovellutuksia varten.

Hankkeen toiminnassa on mukana asiantuntijaryhmä, joka keskustelee ja jakaa osaamistaan kvanttilaskennan mahdollisuuksista opetuksessa sekä yritystoiminnassa. Ryhmässä on tällä hetkellä viisitoista jäsentä, joilla on osaamista muun muassa tekoäly- ja ohjelmistorobotiikasta, ICT-kehitystoiminnasta ja teknologioista, kvanttilaskennan tutkimuksesta ja tietokirjoittamisesta, kvanttimekaniikasta, satelliittikuvantamisesta, tietojenkäsittelyn, tietotekniikan ja liiketoiminnan opettamisesta sekä tulevaisuuden työelämävaatimuksista.  Asiantuntijat työskentelevät laajasti eri sektoreilla muun muassa ICT yrityksissä, kunta- ja sotealan ICT-hallinnossa, Valtion talous- ja henkilöstöhallinnossa, puolustusvoimissa, yliopistoissa ja ammattikorkeakoulussa sekä Valtion teknillisessä tutkimuskeskuksessa (VTT).

TKIO-integroinnin mahdollisuudet

Hankkeen tulokset tulevat mahdollistamaan tulevaisuudessa kvanttilaskentaan ja sen sovelluksiin liittyvän TKI:n ja opetuksen integroinnin. Hankkeessa tarjotaan mahdollisuutta opettajille syventää omaa osaamistaan kvanttilaskentaan liittyen ja pohtia sen sovellutuskohteita omalla allaan. Hankkeen tuloksena syntyvä mikromoduulikurssi tulee olemaan käytössä laaja-alaisesti eri koulutusaloilla sekä TKI-hanketyössä. Tämä mahdollistaa kvanttilaskennan osaamisen lisäämisen sekä opettamisen kehittämisen eri koulutusaloilla, sekä yhteistyön lisäämisen koulutusalojen välillä. Kvanttilaskentaan ja sen sovellutuksiin liittyen avautuvat tulevaisuudessa mahdollisuudet myös opinnäytetöiden tekemiseen niin hankkeissa kuin työelämän toimeksiantoina.

Liiketalouden opinnoissa kvanttilaskentaa voidaan käyttää esimerkiksi haasteellisten logististen ongelmien ratkaisussa, monimutkaisissa talouden skenaarioissa ja malleissa sekä Business Intelligence (BI) -haasteissa, erityisesti aikakriittisissä ja reaaliaikavaateen alaisissa tapauksissa. Kvanttitietokoneisiin, -laskentaan ja –laskentapalveluihin liittyvistä opinnoista tietojenkäsittelyn koulutuksen opetussuunnitelmassa esimerkkejä voisivat olla mm. tietojenkäsittelyn johdanto-opinnot, tietokonejärjestelmät, SQL ja tiedonhallinta, yritysjärjestelmät, tekoäly ja robotiikka, pelien tekoäly, internet of things, big data sekä data-analytiikka. Kaikissa näissä opinnoissa on tarpeellista tunnistaa klassisen ja kvanttilaskennan erot, hyödyt ja haasteet, kvanttilaskennan soveltamisen periaatteet ja mahdollisuudet niin nykyhetken kuin tulevaisuuden kehityksen ennakoinnin näkökulmista.

KvanttiKarelia-hankkeessa tullaan tekemään tiivistä yhteistyötä myös muiden Karelian hankkeiden kanssa. Yhteistyötä tehdään muun muassa Tulevaisuuden työ -hankkeen kanssa. Yhdessä eri hanketoimijoiden kanssa pohditaan, miten kvanttilaskentaan liittyviä sovellutuksia voidaan hyödyntää tulevaisuuden oppimisympäristöissä, sekä niiden kehittämisessä ja suunnittelussa.

Teksti:
Olli Hatakka, lehtori
Mikko Hyttinen, lehtori
Jarmo Talvivaara, lehtori
Karelia-ammattikorkeakoulu

Etusivun kuva: Halacious / Unsplash