Insinöörityön tavoitteena oli perehtyä kvanttilaskennan perusteisiin ja siihen, kuinka kvanttilaskentaa voidaan simuloida Pythonin avulla. Työssä tarkoituksena oli aluksi kuvata lyhyesti, mutta ymmärrettävästi kvanttilaskennan oleellisimpia peruskäsitteitä. Käsitteiden lisäksi tavoitteena oli selvittää ja kuvata miten kvanttilaskentaa voidaan simuloida Python-ohjelmointikieltä käyttäen ja tarjota käytännön koodiesimerkkejä simuloinnista. Kvanttilaskennan teoriaa selvitettiin kirjallisuuslähteiden perusteella. Työssä kuvattiin kvanttilaskennan oleellisimpia käsitteitä kuten kubitti, superpositio, lomittuminen, interferenssi sekä listattiin yleisimmät kvanttilaskennassa käytetyt portit. Insinöörityössä selvitettiin myös, mitä kirjastoja ja työkaluja on olemassa kvanttilaskennan simulointia varten. Työtä varten selvitetyistä työkaluista valittiin IBM:n Qiskit Pythonilla toteutettavaa simulointia varten. Insinöörityössä asennettiin Qiskitin käyttöön tarvittavat ohjelmistot tietokoneelle ja rakennettiin kaksi eri Qiskit-simulointikoodia Jupyter notebook -tiedostoihin. Ensimmäisessä simuloinnissa mallinnettiin superpositiota sekä yksinkertaisen kvanttipiirin rakentamista. Toisena simulaatioesimerkkinä työssä havainnollistettiin salausavainten turvalliseen vaihtoon kuuluvaa BB84-kvanttiavaintenvaihtoprotokollaa. Esimerkkisimulaatioiden ajojen tulokset vastasivat kvanttilaskennan teorian mukaisia odotettuja tuloksia. Qiskit osoittautui kattavan dokumentaation ja kirjallisuudesta löytyvien useiden esimerkkien ansiosta erittäin helpoksi lähtökohdaksi kvanttilaskennan käsitteisiin ja simulointiin tutustumisessa. Koska kvanttilaskentaan liittyy runsaasti matemaattista teoriaa, simuloinnin käyttäminen teorian havainnollistamiseen osoittautui selkeyttäväksi ja oppimista tukevaksi menetelmäksi.
Insinöörityön tavoitteena oli perehtyä kvanttilaskennan perusteisiin ja siihen, kuinka kvanttilaskentaa voidaan simuloida Pythonin avulla. Työssä tarkoituksena oli aluksi kuvata lyhyesti, mutta ymmärrettävästi kvanttilaskennan oleellisimpia peruskäsitteitä. Käsitteiden lisäksi tavoitteena oli selvittää ja kuvata miten kvanttilaskentaa voidaan simuloida Python-ohjelmointikieltä käyttäen ja tarjota käytännön koodiesimerkkejä simuloinnista. Kvanttilaskennan teoriaa selvitettiin kirjallisuuslähteiden perusteella. Työssä kuvattiin kvanttilaskennan oleellisimpia käsitteitä kuten kubitti, superpositio, lomittuminen, interferenssi sekä listattiin yleisimmät kvanttilaskennassa käytetyt portit. Insinöörityössä selvitettiin myös, mitä kirjastoja ja työkaluja on olemassa kvanttilaskennan simulointia varten. Työtä varten selvitetyistä työkaluista valittiin IBM:n Qiskit Pythonilla toteutettavaa simulointia varten. Insinöörityössä asennettiin Qiskitin käyttöön tarvittavat ohjelmistot tietokoneelle ja rakennettiin kaksi eri Qiskit-simulointikoodia Jupyter notebook -tiedostoihin. Ensimmäisessä simuloinnissa mallinnettiin superpositiota sekä yksinkertaisen kvanttipiirin rakentamista. Toisena simulaatioesimerkkinä työssä havainnollistettiin salausavainten turvalliseen vaihtoon kuuluvaa BB84-kvanttiavaintenvaihtoprotokollaa. Esimerkkisimulaatioiden ajojen tulokset vastasivat kvanttilaskennan teorian mukaisia odotettuja tuloksia. Qiskit osoittautui kattavan dokumentaation ja kirjallisuudesta löytyvien useiden esimerkkien ansiosta erittäin helpoksi lähtökohdaksi kvanttilaskennan käsitteisiin ja simulointiin tutustumisessa. Koska kvanttilaskentaan liittyy runsaasti matemaattista teoriaa, simuloinnin käyttäminen teorian havainnollistamiseen osoittautui selkeyttäväksi ja oppimista tukevaksi menetelmäksi.
TiivistelmäTutkimuksen avulla selvitettiin, mitä malleja opettajat ja opettajaopiskelijat käyttävät selittäessään kvantti-ilmiöitä ja -olioita Joensuun fysiikan ja matematiikan laitoksen fysiikan opettajalinjan syventäviin opintoihin kuuluvan Modernia fysiikkaa opettajille -kurssin aikana.Käsiteltyjä kvantti-ilmiöitä ovat mustan kappaleen säteily sekä valosähköinen ja Comptonin ilmiö; kvanttiolioista tarkastellaan elektronia ja fotonia.Lisäksi tutkittiin, miten osallistujat kokevat kurssin ja käytetyn tavanomaisista yliopistofysiikan opetusmenetelmistä poikkeavan, osallistujien ennakkotietoa hyödyntäville tehtäville rakentuvan opetuksen lähestymistavan.Modernia fysiikka opettajille -kurssi toteutettiin tutkimuksen aikana kahdesti.Ensimmäiselle kurssille osallistuneista kahdeksasta opiskelijasta seitsemän opiskeli fysiikkaa ja yksi matematiikkaa pääaineenaan.Kurssi toteutettiin kontaktiopetuksena, jossa luentoja ja harjoituksia oli kuusi viikkotuntia yhdeksän viikon ajan.Toisen kurssin osallistujat olivat fysiikan pätevöittämiskoulutuksessa opiskelevia työssä olevia aineenopettajia.Opetus järjestettiin monimuoto-opetuksena, joka koostui kuukausittaisesta neljän tunnin lähiopetuksesta sekä etäopiskelusta.Kaikkineen kurssi kesti yhdeksän kuukautta.Tutkija toimi molempien kurssien opettajana.Tutkimustehtävän vastaukset muodostettiin tapaustutkimuksen tutkimustraditiota hyödyntävästi.Olihan tutkimuksen tavoitteena aineenopettajien ja opettajaopiskelijoiden kvanttifysiikan oppimisprosessien syvällinen ymmärtäminen.Tutkimuksessa raportoidaan kahden tapausopiskelijan ja kahden tapausopettajan oppimisprosessit.Näitä lähtökohdiltaan erilaisia tapausoppijoita haastateltiin 4-5 kertaa kurssin aikana, minkä lisäksi he osallistuivat esi-ja lopputesteihin.Aineiston analysointia varten audio-ja videonauhoitetut haastattelut digitoitiin ja litteroitiin.Oppijoiden esille tuomien käsitysten ja mallien analysointi suoritettiin fysiikan näkökulmasta käsin.Muodostetut tulokset osoittavat, että tutkimuksen kohteena olleet henkilöt eivät käyttäneet jäsentyneesti ja johdonmukaisesti tieteellisiä malleja.Usein oppijoiden kvantti-ilmiöiden ja -olioiden kuvaamiseen käyttämät mallit muodostuivat useiden erillisten mallien ominaisuuksista: mallit olivat niin sanottuja hybridimalleja.Erityisesti ongelmana vaikutti olevan klassisten ja kvanttimallien sekoittuminen, joten oppijoiden esittämien mallien voidaan sanoa olevan eriytymättömiä.Mallin soveltamisen vaikeudet saattoivat johtua mallin ja todellisuuden välisen suhteen ymmärtämisen ongelmista, ja myös mallista kohteeseen siirtyvien ominaisuuksien hahmottaminen osoittautui erääksi kvanttifysiikan oppimisen ongelmakohdaksi.Lisäksi oppijan aiemman klassisen ja kvanttifysiikan tiedon epäkoherenssi vaikeutti uuden tiedon omaksumista.Toimimattomista malleista tai periaatteista luopuminen näyttää olevan oppijalle vaativa prosessi, joka vaatii oppijalta omien mallien metatason tarkastelua.Aineenopettajien ja opettajaopiskelijoiden suhtautuminen kurssiin ja sen menetelmiin oli pääosin myönteistä.Opettajilta tehtävien varaan rakentuva opetus sai sekä kiitosta että moitetta: opetusmenetelmän koettiin positiivisessa mielessä pakottavan perehtymään opiskeltaviin aiheisiin, mutta se koettiin myös työlääksi.Sekä opettajat että opiskelijat korostivat omakohtaisen pohtimisen tärkeyttä kurssin aiheiden oppimisessa.Opettajaopiskelijat arvostivat myös opetuksen vaihtelevuutta.Tulokset osoittavat, että fysiikan opettajaopinnoissa ja täydennyskoulutuksessa on todellinen kvanttifysiikan erikoiskurssin tarve.Tutkimukseen osallistuneiden opettajaopiskelijoiden ja aineenopettajien kvantti-ilmiöiden ja -käsitteiden hallinta oli vaatimatonta tasoa aiempien, perinteisten kvanttifysiikan kurssien jälkeen, mutta se parani selvästi kurssilla.Tutkimuksen tulokset myös muistuttavat oppijoiden ennakkotiedon huomioimisen tärkeydestä opetuksessa.Fysiikan opintojensa loppuvaiheessa olevilla opiskelijoilla kuten myös kokeneilla opettajilla voi esiintyä tieteellisen näkemyksen vastaisia käsityksiä.Myös heidän aiempi sisältöä koskeva tietonsa voi olla puutteellista.Tutkimuksen mukaan myös vaikeana pidetyn kvanttifysiikan opetuksessa on mahdollista päästä hyviin oppimistuloksiin lähtemällä liikkeelle oppijoiden ennakkotiedoista, tukemalla oppijoiden metakognitiivisten taitojen kehittymistä ja huomioimalla fysiikan malliluonne.Mainittuja tekijöitä voidaan pitää myös yleisinä laadukkaan fysiikan opetuksen kulmakivinä.
Tämän kandidaattitutkielman tavoitteena on antaa yleiskatsaus kvanttisalauksesta. Tutkielmasta tekee merkittävän suomenkielisen kirjallisuuden puute kvanttimekaniikan sovelluksista, kvanttilaskennasta ja etenkin kvanttisalauksesta. Kvanttilaskennan yleistyessä klassiset salausmenetelmät joutuvat kohtaamaan uudenlaisia hyökkäysriskejä. Tutkielma osoittaa lukijalle miksi klassiset kryptografiset menetelmät eivät ole tehokkaita kvanttilaskennallisia menetelmiä vastaan. Tutkielmassa korostuu kvanttisalauksen tärkeys yhteiskunnassa tulevaisuuden tietoturvan takaamiseksi. Tämä kirjallisuuskatsaus tutkii kvanttisalausta yleisestä näkökulmasta ja pyrkii antamaan lukijalle kattavan kuvauksen kvanttisalauksesta syventymättä aiheen matemaattiseen perustaan. Kvanttisalaus on kansainvälisesti laajasti tutkittu aihe, josta on olemassa runsas englanninkielinen kirjallisuus. Tässä tutkielmassa kootaan yhteen kvanttisalausta käsittelevää kirjallisuutta ja vertaillaan kahta eri turvaprotokollaa. Tutkielmassa osoitetaan, kuinka kvanttimekaniikka on kytköksissä kvanttilaskentaan ja kvanttisalaukseen. Kvanttisalaukseen syvennytään tarkastelemalla kvanttikanavien toteutusta kvanttisalausjärjestelmässä. Turvaprotokollia vertaillaan keskenään ja lopuksi tarkastellaan BB84-turvaprotokollan implementointia kvanttisalausjärjestelmässä. Kvanttisalauksen toteutusta tutkimalla tämä kirjallisuuskatsaus antaa selkeän kuvan kvantti-salausjärjestelmistä ja niiden käytännön sovelluksista. Kvanttilaskentaa on tutkittu pitkään ja useat läpimurrot kuten Shorin ja Groverin algoritmit julkaistiin jo 1900-luvun loppupuolella. Kirjallisuuskatsauksessa tutkitaan tämän vuoksi niin vanhoja kuin uusiakin julkaisuja. Tutkielman tulokset osoittavat kvanttisalauksen olevan lupaava teknologia, joka voi mullistaa kryptografian alan tulevaisuudessa. Kvanttitietokoneiden mahdollinen vaikutus nykyiseen kryptografiseen infrastruktuuriin on vakava huolenaihe, joka ansaitsee laajaa huomiota. Viimeaikaiset hyökkäykset kuten psykoterapiakeskus Vastaamoon ja Helsingin kaupunkiin kohdistuneet tietomurrot osoittavat, että vihamielisistä tekijöistä ei ole puutetta. Tutkielman tulokset ilmaisevat tarvetta luoda selkeä suunnitelma nykyisen yhteiskunnan tietoturvajärjestelmien vahvistamiseksi kvanttilaskennan mahdollistamia hyökkäyksiä vastaan
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.
Varantolaskenta kehitettiin yksinkertaistamaan muistia hyödyntävien takaisinkytkettyjen neuroverkkojen koulutusprosessia. Koko verkon kouluttamisen sijaan hyödynnetään systeemin eli varannon luonnollista dynamiikkaa ja lineaarisesti koulutettavaa tasoa lukemaan varannossa olevaa informaatiota. Ideaa on jatkettu kvanttikoneoppimiseen, jossa varantona toimivatkin kvanttisysteemit. Kvanttivarantolaskennan etuna on monipuolisempi varannon tila-avaruuden hyödyntäminen kvantti-ilmiöiden kuten superposition ja kietoutumisen kautta. Kvanttisysteemien käyttö mahdollistaa myös hyvin ilmaisukykyisen varannon rakentamisen, ilman että fyysisiä informaatioyksiköitä, esimerkiksi kubitteja, tarvitaan suuria määriä. Kvanttiteknologia on viime vuosina kehittynyt ja toimivien kvanttitietokoneiden määrä on lisääntynyt, mutta silti niiden hyötyjä hankaloittaa tarvittavien resurssien määrä, toteutus ja herkkyys. Ongelmat ovatkin läsnä myös käytännön kvanttivarantolaskennassa ja tässä tutkielmassa käsitellään uutta lähestymistapaa näihin ongelmiin niin sanotun digitaalisen kaksosen myötä. Kyseinen digitaalinen kaksonen on matemaattisesti varannosta muodostettu kopio, jonka tarkoituksena on jäljitellä oikean varannon toimintaa. Tutkielmassa käydään läpi digitaalisen kaksosen rakentaminen neljän kubitin kvanttipiiristä simuloidun varannon pohjalta. Tarkoituksena oli selvittää, onko lähestymistapa oikeasti mahdollinen ja onko kaksosen suorituskyky riittävä oikeaan varantoon verrattuna. Aihetta pohjustetaan tarkastelemalla varantolaskentaa yleisellä tasolla sekä klassisten neuroverkkojen pohjalta, että kvanttisysteemien kautta. Digitaalisen kaksosen muodostaminen onnistui käyttämällä alkuperäisen varannon funktioavaruuden kantaa ja sen suorituskyky oli hyvin lähellä kvanttivarantoa. Kvanttivarannon mittaustuloksista saadut havaintosuureet voitiin rakentaa uudelleen, siten että vähintään 96% jokaisen suureen alkuperäisestä varianssista voitiin selittää. Kaksonen jäljitteli varannon tuloksia hyvin läheisesti erilaisissa muistia ja yleistämistä vaativissa tehtävissä. Varannon ja kaksosen normalisoitu keskimääräinen neliövirhe tehtävissä erosi toisistaan noin 0.01 verran. Tämän lisäksi kaksoseen vaadittava laskennallinen raskaus oli huomattavasti pienempi kuin kvanttivarannon simuloimiseen vaadittava laskentateho. Kaksosen simulointi oli jopa satoja kertoja nopeampaa, mikä voi vaikuttaa siihen, milloin fyysisen kvanttitietokoneen käyttö on perusteltua.
Kvanttilaskennan yleistyminen tuo ongelmia ajoneuvojen tietoturvallisuuteen, sillä kvanttilaskennalla on mahdollista murtaa ajoneuvojen nykyisin käyttämät salausprotokollat. Kvanttilaskentaa ei toistaiseksi ole tarjolla kaupallisilla markkinoilla, mutta kiihtyvän kehityksen takia on vain ajan kysymys milloin kvanttilaskentaa voidaan myydä kuluttajille ja alkaa hyödyntäämään myös laittomiin aikeisiin. Tutkielmassa käsitellään millaista vaaraa kvanttilaskennan yleistymisestä syntyy erilaisille ajoneuvoille ja mikä olisi toimiva keino paikata kvanttilaskennan tuomia tietoturva-aukkoja käyttäen kvanttiturvallisia protokollia. Tutkielmassa pohditaan myös kuinka ajoneuvovalmistajat ovat varautuneet kvanttilaskennan tuomiin uhkiin ja kuinka valmiita ne ovat siirtymään käyttämään kvanttiturvallisia menetelmiä. Tutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Tulokset näyttävät, että kvanttilaskennan yleistyminen vaarantaa koko tietyn ikäisen ajoneuvokannan. Kävi myös ilmi, että hilarakenteiseen kryptografiaan pohjautuvat ratkaisut ovat suosituimpia kehitteillä olevia salausprotokollia ja ajoneuvoteollisuus on valmis siirtymään kvanttiturvallisiin protokolliin standradoinnin valmistuessa.
Tutkielman aluksi kerrataan kvanttiteorian perusteet. Tämän jälkeen annetaan yksinkertaiset esimerkit diskreeteistä ja ääretönulotteisista systeemeistä ja niiden matematiikasta. Ääretönulotteisille systeemeille muodostetaan jatkuva faasiavaruusformalismi käyttäen Lien algebrojen ja ryhmien teoriaa. Määritellään gaussiset tilat ja tarkastellaan niiden vahvuuksia ja heikkouksia faasiavaruusformalismin sekä kvanttiinformaation sovelluksien kannalta. Johdetaan Wignerin funktio usealle esimerkille sekä käydään läpi Williamsonin ja Blochin-Messiahin matriisihajotelmat ja niiden merkitys gaussisiin tiloihin ja -operaatioihin liittyen. Määritellään ei-gaussiset tilat ja esitellään joitain niiden karakterisointiin käytettyjä mittoja ja tilojen kvanttiresursseja. Esimerkkien kautta tarkastellaan miten fotoneja lisäämällä tai poistamalla gaussisesta tilasta voidaan saavutaa Wignerin funktion negatiivisuutta omaava ei-gaussinen tila. Lisättyjen ja poistettujen fotonien tiloja tutkitaan tarkemmin käyttäen apuna Wickin todennäköisyyslausetta ja graa_teoriaa. Selvitetään miten näiden tilojen operaattorimomenttien laskeminen voidaan antaa graa_n hafnianin muodossa. Tunnistetaan yhteys hafnianin laskemiseen liittyvän uniikkien termien määrän osaongelman ja graa_en nimeämisiin liittyvien ongelmien välillä. Lopuksi tehdään yhteenveto käsitellyistä aiheista ja pohditaan miten esiin tulleet asiat ja käytetty matematiikka voisivat vaikuttaa jatkossa kvanttialgoritmien kehitykseen.