Tässä tutkimuksessa tarkastellaan järjestelmäpiirejä (engl. System-on-Chip, SoC), kvanttitietokoneita sekä järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesiä. Erityisesti käydään läpi järjestelmäpiirien sekä kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita ja miten nämä eroavat toisistaan. Lisäksi tutkitaan kvanttitietokoneiden etuja sekä mihin kvanttitietokoneiden ja järjestelmäpiirien synteesiä tarvitaan. Tutkimus on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Järjestelmäpiirit ovat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista koostuvia kokonaisuuksia. Niiden tärkeimpiin laitteistokomponentteihin kuuluvat erilaiset prosessorit sekä muistit. Näiden komponenttien toiminta perustuu bittien käsittelyyn. Yksi tärkeimmistä ohjelmistokomponenteista on käyttöjärjestelmä, joka tehostaa laitteistokomponenttien toimintaa. Käyttöjärjestelmä tarjoaa myös rajapinnan ihmisen ja tietokoneen väliseen vuorovaikutukseen. Tämä mahdollistaa ihmisen antamaan käskyjä tietokoneelle erilaisten ohjelmointikielten avulla. Kvanttitietokoneiden prosessorit käyttävät bittien sijaan kubitteja. Kubittien ansiosta erityisissä tilanteissa kvanttitietokoneet ovat äärimmäisen tehokkaita ja ylittävät perinteisten vastineidensa laskentakyvyn merkittävästi. Tämä ero tuo mukanaan reaalimaailman sovelluksia. Kryptografiana tunnettu ala tuleekin kokemaan täyden uudistuksen kvanttitietokoneissa käytettävän Shorin algoritmin myötä. Käytännön toteutuksessa kvanttitietokone vaatii kvanttiprosessorin lisäksi kubittien kryogeenisen kontrollijärjestelmän sekä mittaus- ja virheenkorjausjärjestelmät. Kvanttitietokoneita on jo olemassa, mutta ne eivät ole nykyisellään vielä yleiseen käyttöön soveltuvia. Ne ovat nykyisessä tilassaan liian suuria fyysiseltä kooltaan sekä käytännössä kömpelöitä. Järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesi tarjoaa mahdollisuuden pienentää kvanttitietokoneiden kokoa huomattavasti, kun itse kvanttiprosessori ja muut tarvittavat tukijärjestelmät voidaan integroida yhdelle piirille eli järjestelmäpiirille. Tämän synteesin avulla on myös mahdollista säästää kryogeenisten jäähdytysjärjestelmien energiakustannuksissa.
Tässä tutkimuksessa tarkastellaan järjestelmäpiirejä (engl. System-on-Chip, SoC), kvanttitietokoneita sekä järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesiä. Erityisesti käydään läpi järjestelmäpiirien sekä kvanttitietokoneiden toimintaperiaatteita ja miten nämä eroavat toisistaan. Lisäksi tutkitaan kvanttitietokoneiden etuja sekä mihin kvanttitietokoneiden ja järjestelmäpiirien synteesiä tarvitaan. Tutkimus on toteutettu kirjallisuuskatsauksena. Järjestelmäpiirit ovat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista koostuvia kokonaisuuksia. Niiden tärkeimpiin laitteistokomponentteihin kuuluvat erilaiset prosessorit sekä muistit. Näiden komponenttien toiminta perustuu bittien käsittelyyn. Yksi tärkeimmistä ohjelmistokomponenteista on käyttöjärjestelmä, joka tehostaa laitteistokomponenttien toimintaa. Käyttöjärjestelmä tarjoaa myös rajapinnan ihmisen ja tietokoneen väliseen vuorovaikutukseen. Tämä mahdollistaa ihmisen antamaan käskyjä tietokoneelle erilaisten ohjelmointikielten avulla. Kvanttitietokoneiden prosessorit käyttävät bittien sijaan kubitteja. Kubittien ansiosta erityisissä tilanteissa kvanttitietokoneet ovat äärimmäisen tehokkaita ja ylittävät perinteisten vastineidensa laskentakyvyn merkittävästi. Tämä ero tuo mukanaan reaalimaailman sovelluksia. Kryptografiana tunnettu ala tuleekin kokemaan täyden uudistuksen kvanttitietokoneissa käytettävän Shorin algoritmin myötä. Käytännön toteutuksessa kvanttitietokone vaatii kvanttiprosessorin lisäksi kubittien kryogeenisen kontrollijärjestelmän sekä mittaus- ja virheenkorjausjärjestelmät. Kvanttitietokoneita on jo olemassa, mutta ne eivät ole nykyisellään vielä yleiseen käyttöön soveltuvia. Ne ovat nykyisessä tilassaan liian suuria fyysiseltä kooltaan sekä käytännössä kömpelöitä. Järjestelmäpiirien ja kvanttitietokoneiden synteesi tarjoaa mahdollisuuden pienentää kvanttitietokoneiden kokoa huomattavasti, kun itse kvanttiprosessori ja muut tarvittavat tukijärjestelmät voidaan integroida yhdelle piirille eli järjestelmäpiirille. Tämän synteesin avulla on myös mahdollista säästää kryogeenisten jäähdytysjärjestelmien energiakustannuksissa.
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
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.
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.
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.
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
Tässä kirjallisuuskatsauksena toteutetussa tutkielmassa tarkastellaan ionisoivan säteilyn vaikutuksia kvanttitietokoneiden elektroniikkaan. Tutkielman tavoitteena on selvittää, miten ionisoiva säteily vaikuttaa suprajohtaviin kubitteihin ja millaisia virheitä se aiheuttaa kvanttilaskennassa. Lisäksi tutkielma käsittelee kvanttilaskennan kannalta olennaisia käsitteitä ja fysikaalisia ilmiöitä, jotka ovat välttämättömiä aiheen tieteellisemmän käsittelyn kannalta. Erityisesti perehdytään kosmisesta säteilystä peräisin olevien myonien ja ympäristön radioaktiivisten alkuaineiden hajoamistuotteina syntyvien γ-säteiden vaikutuksiin suprajohtavassa kubitissa. Tutkielmassa huomataan ionisoivan säteilyn aiheuttavan kvanttilaskennassa relaksaatio-, vaihe-ero- ja korreloituja virheitä, mutta erityisesti korreloitujen virheiden aiheuttavan haasteita virheenkorjausmenetelmissä. Tutkielmassa myös käsitellään virheenkorjausmenetelmiä ja ratkaisuja säteilysuojaukseen. Tutkielman perusteella voidaan todeta ionisoivan säteilyn vaikutusten ymmärtämisen olevan tärkeää vikasietoisen kvanttilaskennan kehittämiseksi. Tulokset osoittavat myös, että tarvitaan lisätutkimusta korreloitujen virheiden suojausmekanismien kehitykseen.