Kvanttilaskenta on kasvava tieteenala, joka sai alkunsa 1980-luvulla. Viime aikoina sekä uusien algoritmien että kvanttitietokoneen realisaatioiden kehitys on ollut nopeaa. Kiinnostusta alaan ylläpitää tieto siitä, että suurimittaiset kvanttitietokoneet pystyisivät ratkaisemaan tiettyjä laskennallisia ongelmia nopeammin kuin mitkään nykyperiaatteilla toimivat tietokoneet. Kvanttitietokoneessa informaatio on tallennettu kvanttirekisteriin, joka koostuu kvanttibitteistä eli kubiteista. Rekisterin tilaa voidaan kuvata tilavektorilla. Mahdollisia laskenta-operaatioita voidaan puolestaan kuvata tilavektorin kertomisella unitaarisilla matriiseilla. Viime vuosina on kehitetty menetelmiä, joilla monen kubitin operaatiot eli portit saadaan hajotettua mahdollisimman lyhyeksi sarjaksi realisaatioissa toteutettavissa olevia yhden ja kahden kubitin alkeisportteja. Tehokkaiden laskenta-algoritmien kehittäminen on olennaista tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hyödyntämisen kannalta. Tässä työssä on perehdytty erilaisiin mielivaltaisten monikubittiporttien hajotelmiin. Työssä esitellään muutamia uusia hajotelmia ja parannuksia entisiin. Lisäksi on tutkittu alkeisporttikirjaston kaksikubittiportin valintaa. Erityisesti on paneuduttu eri menetelmiin luokitella kaksikubittiportteja. Tähän liittyen työssä esitetään uusi, kaikki kaksikubittiportit kattava tehokkuusluokittelu.
Kvanttilaskenta on kasvava tieteenala, joka sai alkunsa 1980-luvulla. Viime aikoina sekä uusien algoritmien että kvanttitietokoneen realisaatioiden kehitys on ollut nopeaa. Kiinnostusta alaan ylläpitää tieto siitä, että suurimittaiset kvanttitietokoneet pystyisivät ratkaisemaan tiettyjä laskennallisia ongelmia nopeammin kuin mitkään nykyperiaatteilla toimivat tietokoneet. Kvanttitietokoneessa informaatio on tallennettu kvanttirekisteriin, joka koostuu kvanttibitteistä eli kubiteista. Rekisterin tilaa voidaan kuvata tilavektorilla. Mahdollisia laskenta-operaatioita voidaan puolestaan kuvata tilavektorin kertomisella unitaarisilla matriiseilla. Viime vuosina on kehitetty menetelmiä, joilla monen kubitin operaatiot eli portit saadaan hajotettua mahdollisimman lyhyeksi sarjaksi realisaatioissa toteutettavissa olevia yhden ja kahden kubitin alkeisportteja. Tehokkaiden laskenta-algoritmien kehittäminen on olennaista tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hyödyntämisen kannalta. Tässä työssä on perehdytty erilaisiin mielivaltaisten monikubittiporttien hajotelmiin. Työssä esitellään muutamia uusia hajotelmia ja parannuksia entisiin. Lisäksi on tutkittu alkeisporttikirjaston kaksikubittiportin valintaa. Erityisesti on paneuduttu eri menetelmiin luokitella kaksikubittiportteja. Tähän liittyen työssä esitetään uusi, kaikki kaksikubittiportit kattava tehokkuusluokittelu.
Kvanttilaskennan eräs ongelma on kvanttisysteemien herkkyys ulkopuolisille vaikutuksille, eli dekoherenssille. Tämä tekee systeemin koherenssista resurssin, jota voidaan käyttää suorittamaan haluttuja toimintoja. Tutkielma alkaa johdannolla lineaarialgebraan ja kvanttimekaniikan perusteisiin, jotta kvanttilaskentaa voidaan mallintaa. Tätä seuraava osuus käsittelee kvanttilaskentaa ja alkaa esittelemällä kubitit, korostaen näiden ja klassisten bittien eroavaisuuksia. Lisäksi esitellään intuitiivinen tapa ajatella yksittäisiä kubitteja, Blochin pallo. Osio jatkuu esittelemällä kvanttiportit jälleen korostaen näiden eroavaisuuksia klassisisiin portteihin. Tämän jälkeen käsitellään kvanttilaskennan erittäin oleellinen eroavaisuus klassisen laskennan välillä, nimittäin mittaus, joka muuttaa alla olevan kvanttisysteemin tilaa ja täten vaikuttaa kvanttilaskennan tulokseen, mikäli mittaus tehdään kesken laskennan. Osuus päätetään esittelemällä yleisesti käytetty tapa mallintaa kvanttilaskentaa, kvanttipiirit. Kolmannessa osiossa kehitellään kvanttilaskennalle universaalien kvanttiporttien käsite. Tarkastelu aloitetaan kaksitasoisilla matriiseilla, jotka myöhemmin samaistetaan kvanttiportteihin. Osiossa myös kehitellään Blochin pallosta intuitiota kvanttiportteja vastaaviin kiertoihin. Tämän jälkeen esitetään tapa luoda mikä tahansa yhden kubitin portti kahdella kierrolla. Seuraavaksi osoitetaan, että tällaisella porttijoukolla ja kontrolloidulla NOT-portilla voidaan luoda mikä tahansa kvanttiportti. Lopuksi muodostetaan universaali porttijoukko. Lopuksi käydään koherenssin resurssiteoriaa. Ensiksi käydään vaaditut valmistelut kvanttioperaattoreista ja kvanttisysteemin entropiasta, jota varten esitellään von Neumannin entropia. Tämän jälkeen erotellaan kvanttisysteemin epäkoherentit tilat ja operaatiot koherenteista tiloista ja operaatioista sekä osoitetaan, että epäkoherenteilla operaatioilla ja yhdellä maksimaalisesti koherentilla kubitilla voidaan luoda mikä tahansa kvanttiportti. Lopuksi todistetaan, että systeemin tiheysmatriisin ja tiheysmatriisin diagonaalin välinen suhteellinen entropia on koherenssimitta.
Kvanttilaskennasta odotetaan mullistavaa teknologiaa, mutta miten sitä oikeastaan pyritään toteuttamaan ja kuinka pitkälle kehitys on edennyt? Mitä muuta tarvitaan kuin vain paljon kubitteja? Tässä kirjallisuuskatsauksessa pyritään alaan perehtymättömälle ymmärrettävällä tavalla selvittämään kvanttilaskennan johtavat toteutusmenetelmät, nykytila ja merkittävimmät haasteet pääpiirteissään. Kvanttilaskennan idea alkoi kehittymään 1970- ja 1980-lukujen vaihteessa, ja 1990-luvulla kvanttialgoritmien tutkimus lisäsi löydöksillään alan saamaa huomiota. 2000-luvun alkuun mennessä oli jo onnistuttu kokeellisesti tuottamaan pieniä, korkeintaan muutaman kubitin systeemejä useammalla erilaisella menetelmällä. Kubitiksi voidaan periaatteessa valita mikä tahansa hallittavissa oleva kaksitilainen kvanttisysteemi, mutta lupaavimmat toteutukset perustuvat atomi-ionien elektronien viritystiloihin tai suprajohtaviin värähtelypiireihin. Ioniloukku pitää kubitteina käytettävät jäähdytetyt ionit sähkömagneettisten kenttien avulla leijumassa tyhjiössä. Kubittien tilaa hallitaan eli portteja toteutetaan sopivan polarisaation, taajuuden ja keston laser- tai mikroaaltopulsseilla. Laskennalle välttämättömät kahden kubitin portit hyödyntävät informaation välityksessä loukussa pidettävien ionien yhteisen värähtelyliikkeen kvantittumista. Suprajohtavien piirien valmistuksessa sovelletaan puolijohdeteollisuuden menetelmiä. Värähtelypiirin energiatilat ovat kvantittuneet, ja näistä kaksi alinta vastaavat kubitin tiloja. Siirtymiä näiden tilojen välillä hallitaan mikroaaltosäteilyllä, jonka fotonien energia vastaa energiatilojen erotusta. Kubittien keskinäinen lomittaminen usean kubitin operaatioissa on mahdollista piirien ollessa kytkettyinä toisiinsa kapasitiivisesti tai induktiivisesti, toteutustavasta riippuen. Kvanttitietokoneet vaativat huomattavan monipuolista laitteistoa muun muassa kubittien jäähdyttämiseen ja mittaamiseen sekä hallintasignaalien tuottamiseen ja välittämiseen. Nykyään kvanttitietokoneilla pystytään jo suorittamaan lyhyitä algoritmeja, mutta käytännön kannalta merkityksellisten ongelmien ratkaisemisessa klassiset supertietokoneet pärjäävät edelleen paremmin. Kvanttitietokoneiden skaalaamista hyödylliseen mittakaavaan hidastavat lukuisat ongelmat, joista suuri osa perustuu vaatimukseen voida hallita suurta määrää häiriöherkkiä kubitteja erittäin tarkasti.
Tämän insinöörityön keskeinen tutkimuskysymys on, miten kvanttitietokoneiden kehitys vaikuttaa nykyisiin salausmenetelmiin ja millä tavoin post-kvanttinen kryptografia vastaa näihin uhkiin. Lisäksi työ tarkastelee post-kvanttisten ratkaisujen käyttöönottoon liittyviä teknisiä ja organisatorisia haasteita. Tutkimuskysymykseen vastaamiseksi työssä tarkastellaan kvanttilaskennan keskeisiä periaatteita, kuten superpositiota, lomittumista ja interferenssiä, jotka mahdollistavat laskentatehon, johon klassiset tietokoneet eivät kykene. Näiden ilmiöiden hyödyntäminen tekee kvanttitietokoneista erityisen tehokkaita ratkaisemaan matemaattisia ongelmia, jotka muodostavat nykyisten epäsymmetristen salausmenetelmien, kuten RSA:n ja ECC:n, turvallisuuden perustan. Työssä analysoitiin modernien salausalgoritmien toimintaa ja kvanttiuhkia, jotka kohdistuvat erityisesti julkisen avaimen menetelmiin. Symmetristen algoritmien, kuten AES:n, todettiin säilyttävän turvallisuutensa kvanttiuhkia vastaan avainpituuksia kasvattamalla, kun taas epäsymmetriset menetelmät ovat haavoittuvaisia Shorin algoritmille. Lisäksi työssä esiteltiin NIST:n standardoimat post-kvanttiset algoritmit, kuten Kyber ja Dilithium, sekä niiden keskeiset ominaisuudet ja käyttöönottoon liittyvät haasteet. Työn johtopäätökset osoittavat, että siirtyminen post-kvanttiseen kryptografiaan on välttämätöntä tulevien vuosien aikana. Kvanttiuhkien aikataulu on epävarma, ja erityisesti Harvest Now, Decrypt Later -skenaario korostaa tarvetta aloittaa valmistelut ajoissa. Työ tarjoaa kokonaiskuvan kvanttiajan tietoturvahaasteista ja toimii lähtökohtana organisaatioille, jotka suunnittelevat kvanttiturvallisten järjestelmien käyttöönottoa.
Tämän moduulin tavoitteena on kehittää toisen asteen opiskelijoiden tulevaisuusajattelun taitoja, mielikuvitusta ja yhteiskunnallista toimijuutta kvanttilaskennan ja tietotekniikan tulevaisuuden konteksteissa. Koko moduulin kesto on noin 20 opetustuntia, mutta se sisältää yksittäisiä aktiviteetteja, joita voidaan käyttää yksittäin tietokoneisiin, kvanttimekaniikkaan, systeemiajatteluun ja skenaarioiden kehittämiseen liittyvän opetuksen järjestämisessä. Opiskelijat oppivat tietotekniikan historiallisesta kehityksestä, sen yhteydestä yhteiskunnalliseen kehitykseen sekä teknologisen tulevaisuuden ennustamisen kompleksisuudesta. Opiskelemalla eri kantalukujärjestelmiä, loogisia operaatioita, algoritmeja ja tietokoneen komponentteja opiskelijat valmistautuvat siirtymään laskentaparadigmasta toiseen ja korvaamaan bitit kubiteilla, eli kvanttibiteillä. Kvanttiominaisuuksiin tutustuminen "spin first" -lähestymistapaa käyttäen tasoittaa tietä kvanttialgoritmien ymmärtämiselle ja kvanttitietokoneiden ylivoimaiseen laskentatehoon sekä niiden tarjoamiin tulevaisuuden mahdollisuuksiin perehtymiselle. Moduulin aikana opiskelijat työstävät valitsemastaan kompleksisesta ongelmasta omia "tulevaisuusprojektejaan". Ongelmanratkaisun tukena he pääsevät tekemään luovaan ajatteluun, ongelman määrittelemiseen ja kartoittamiseen, systeemiajatteluun ja skenaarioiden laatimiseen liittyviä tehtäviä. Lisäksi he käyttävät kolmea erilaista tulevaisuusajattelun tapaa skenaarioiden kehittämiseen. Moduulin lopuksi opiskelijat esittelevät projektinsa – eli tietotekniikkaan pohjautuvan ratkaisunsa johonkin yhteiskunnalliseen ongelmaan – käyttämällä tehokasta "backcasting"-menetelmää.
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta Joulukuu 2024 Kvanttitietokoneet ovat siirtymässä teoriasta käytäntöön.Kvanttitietokoneiden mukana tuleva laskentateho on kuitenkin riittävän voimakas murtamaan nykyisin käytössä olevat kryptografiset salausalgoritmit.Tarve kehittää ja standardisoida uudenlaiset kvanttitietokoneen kestävät salausalgoritmit tietotekniikan alalle, on merkittävä.Näiden uusien kvanttiturvallisten salausalgoritmien laajamittainen käyttöönotto eri tahoilla ja eri käyttötarkoituksiin on myös välttämätöntä.Organisaatioille uusiin kvanttikestäviin salausalgoritmeihin siirtyminen tulee vaatimaan merkittäviä resursseja, ja keskeistä on, miten kvanttiturvallinen siirtymä voidaan toteuttaa mahdollisimman tehokkaasti.Tämän kandidaatintyön tavoitteena on tuoda esiin kvanttitietokoneiden aiheuttama tietoturvauhka ja tarkastella tarvittavia ratkaisuja sekä niiden käyttöönottoa organisaatioissa.Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena ja aiheen uutuuden myötä lähdeaineistona on käytetty mahdollisimman tuoreita julkaisuja.Työssä tarkastellaan kvanttiturvallisten salausalgoritmien ominaisuuksia ja haasteita niiden käyttöönotossa olemassa olevissa tietoturvajärjestelmissä.Lisäksi työssä käsitellään erilaisia siirtymästrategioita, joilla organisaatiot voivat sujuvasti päivittää tietoturvajärjestelmänsä kestämään kvanttitietokoneet.Työssä tutkitaan myös erilaisten valtiollisten tahojen käynnistämää kvanttiturvallisten algoritmien standardisointiprosessia, sen etenemistä sekä tuloksia.Erityisesti tarkastellaan NIST:in (National Institute of Standards and Technology) johtamaa kansainvälistä standardointiprosessia, joka pyrkii tunnistamaan ja validoimaan turvallisimmat ja tehokkaimmat kvanttiturvalliset salausalgoritmit.Prosessi sisältää algoritmien monivaiheiset arviointikierrokset, joissa testataan niiden kestävyyttä, suorituskykyä ja skaalautuvuutta erilaisissa tietoturvaympäristöissä.Työssä pohditaan myös kvanttiturvalliseen siirtymään liittyviä teknisiä ja organisatorisia haasteita, kuten uusien algoritmien yhteensopivuutta olemassa olevien järjestelmien kanssa, sekä niiden käyttöönoton aiheuttamia taloudellisia ja resurssivaatimuksia organisaatioille.Työssä tutkitaan myös keinoja varautua jatkuvasti kehittyvään tietoturvaympäristöön ja tarkastellaan menetelmiä, joiden avulla organisaatiot voivat ketterästi päivittää käyttämiään salausalgoritmeja uusien haavoittuvuuksien ilmetessä.Erityishuomiota kiinnitetään
Kvanttimekaaniseen laskentaan perustuvalla uudenlaisella tietokoneella, kvanttitietokoneella, on potentiaalia kyetä ratkaisemaan tiettyjä monimutkaisia ongelmia, joihin parhaiden supertietokoneidenkaan laskentateho ei riitä. Tästä syystä toimivaa kvanttitietokonetta ja sen laskentayksikköä, kubittia, kehitetään nykyään lukuisissa yliopistoissa ja yrityksissä ympäri maailmaa. Yksi lupaavimmiksi osoittautuneista menetelmistä on käyttää kubittina suprajohtavaa virtapiiriä, josta voidaan muodostaa makroskooppinen kvanttimekaaninen kaksitilasysteemi. Nopean laskennan mahdollistamiseksi yhden kubitin operaatiot eli kvanttiportit on toteutettava nopeilla pulsseilla. Riittävän tarkan operaation saavuttamiseksi suprajohtaville kubiteille käytetään usein heikkoa kapasitiivista kytkentää ulkoiseen resonaattoriin, jolloin tavoiteltu nopeus saavutetaan pulssin tehoa kasvattamalla. Suuri teho voi kuitenkin aiheuttaa kubitin lämpenemistä, mikä heikentää sen koherenssia sekä operaation tarkkuutta. Tässä työssä ongelman ratkaisuksi esitetään kubitin ajamista tyypillisen resonanssialueen sijaan epäresonanssissa, jolloin pulssin kesto on mahdollista saada lyhenemään hyvin nopeasti ajotehon kasvaessa. Lisäksi epäresonanssiajossa kubitin ja ulkoisen resonaattorin väliin voidaan lisätä kubitin taajuuden estävä suodatin, mikä parantaa kubitin elinaikaa merkittävästi. Työssä tutkitaan numeerisesti simuloiden kahden epäresonanssimenetelmän, aliharmonisen ajon sekä kahta ajotaajuutta hyödyntävän nk. kahden taajuuden ajon, toimivuutta unimon-kubitilla, joka on Aalto-yliopistossa kehitetty lupaava suprajohtava kubitti. Tuloksia verrataan unimonin resonanssiajoon. Tulokset osoittavat, että tutkituissa epäresonanteissa ajoalueissa kvanttiportin nopeutta voidaan kasvattaa vain pienellä lisäyksellä ajojännitteeseen, mikä vahvistaa epäresonanssiajon potentiaalia resonanssiajoon nähden. Unimonille lupaavimmalta ajomenetelmältä vaikuttaa kahden taajuuden ajo, sillä tällä menetelmällä saavutetaan lähes resonanssiajoa vastaava porttien tarkkuus. Tarkkuutta voidaan yhä parantaa optimoimalla käytettäviä ajotaajuuksia, jolloin kahden taajuuden ajo nousee vahvuuksiensa ansiosta erittäin varteenotettavaksi menetelmäksi unimonin ajamiseen.