Hajautettu kvanttilaskenta viittaa kirjallisuudessa kahteen erilliseen käsitteeseen: hajautettuun kvanttitietokonearkkitehtuuriin sekä laajamittaiseen kvantti-internetiin. Tämä kirjallisuuskatsaus tarkastelee näitä näkökulmia erikseen ja arvioi kummankin tutkimusalueen nykytilaa. Kvanttitietokonearkkitehtuurin osalta hajautettu malli on osoittautunut lupaavaksi ratkaisuksi keskeiseen skaalautuvuusongelmaan: yksittäisten piirien koon pienentäminen vähentää kohinaa, ja usean suorittimen yhteistoiminta parantaa virheenkestävyyttä. NISQ-aikakauden merkittävimpiä saavutuksia ovat IBM:n hajautettu Quantum System Two, joka on viisinkertaisesti virheenkestävämpi kuin yhtiön kubittimäärältään lähes kolminkertainen yksittäinen Condor-suoritin, sekä Quantinuumin H2-järjestelmä, joka saavutti julkaisunsa hetkellä alan parhaan kvanttivoluumin. Kvantti-internetin runkona toimivat fotoniset kvanttikommunikaatioväylät. Langalliset valokuitukanavat soveltuvat lyhyille ja keskipitkille etäisyyksille ja langattomat erityisesti pitkille mannertenvälisille etäisyyksille. Moniydinkuidut ja kohinanvaimennusalgoritmit mahdollistavat kvantti- ja klassisten signaalien yhteissiirron olemassa olevissa verkoissa. Satelliittipohjaisissa langattomissa kanavissa on saavutettu yli 12 000 kilometrin yhteysetäisyydet, ja adaptiivisen optiikan soveltaminen on parantanut signaalinlaatua merkittävästi turbulenteissa olosuhteissa. Molemmissa kanavatyypeissä suurin rajoittava tekijä on riittämätön lomittuneiden parien generointinopeus. Molemmat tutkimusalueet ovat toisiaan täydentäviä ja kehittyvät nopeasti. Ensimmäinen virheenkestävä kvanttitietokone voi olla rakennettavissa lähivuosikymmeninä ja mahdollisesti arkkitehtuuriltaan hajautettu.
Hajautettu kvanttilaskenta viittaa kirjallisuudessa kahteen erilliseen käsitteeseen: hajautettuun kvanttitietokonearkkitehtuuriin sekä laajamittaiseen kvantti-internetiin. Tämä kirjallisuuskatsaus tarkastelee näitä näkökulmia erikseen ja arvioi kummankin tutkimusalueen nykytilaa. Kvanttitietokonearkkitehtuurin osalta hajautettu malli on osoittautunut lupaavaksi ratkaisuksi keskeiseen skaalautuvuusongelmaan: yksittäisten piirien koon pienentäminen vähentää kohinaa, ja usean suorittimen yhteistoiminta parantaa virheenkestävyyttä. NISQ-aikakauden merkittävimpiä saavutuksia ovat IBM:n hajautettu Quantum System Two, joka on viisinkertaisesti virheenkestävämpi kuin yhtiön kubittimäärältään lähes kolminkertainen yksittäinen Condor-suoritin, sekä Quantinuumin H2-järjestelmä, joka saavutti julkaisunsa hetkellä alan parhaan kvanttivoluumin. Kvantti-internetin runkona toimivat fotoniset kvanttikommunikaatioväylät. Langalliset valokuitukanavat soveltuvat lyhyille ja keskipitkille etäisyyksille ja langattomat erityisesti pitkille mannertenvälisille etäisyyksille. Moniydinkuidut ja kohinanvaimennusalgoritmit mahdollistavat kvantti- ja klassisten signaalien yhteissiirron olemassa olevissa verkoissa. Satelliittipohjaisissa langattomissa kanavissa on saavutettu yli 12 000 kilometrin yhteysetäisyydet, ja adaptiivisen optiikan soveltaminen on parantanut signaalinlaatua merkittävästi turbulenteissa olosuhteissa. Molemmissa kanavatyypeissä suurin rajoittava tekijä on riittämätön lomittuneiden parien generointinopeus. Molemmat tutkimusalueet ovat toisiaan täydentäviä ja kehittyvät nopeasti. Ensimmäinen virheenkestävä kvanttitietokone voi olla rakennettavissa lähivuosikymmeninä ja mahdollisesti arkkitehtuuriltaan hajautettu.
Kvanttimekaniikan teoriassa suljettuja, ympäristöstään eristettyjä systeemejä koskevat tulokset ovat hyvin tunnettuja. Eräs tärkeä erityispiirre tällaisille systeemeille on, että niiden aikakehitys on unitaarista. Oletus siitä, että systeemi on suljettu, on osaltaan tietysti vain yksinkertaistus. Käytännössä kaikki kvanttimekaaniset systeemit vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa ja tästä johtuen niiden dynamiikka monimutkaistuu oleellisesti. Kuitenkin tietyissä tapauksissa systeemin aikakehitys voidaan ratkaista, ainakin approksimatiivisesti. Tärkeimpinä esimerkkeinä on ympäristön joko nopea tai erittäin hidas muutos kvanttisysteemin ominaiseen aikaskaalaan verrattuna. Näistä erityisesti jälkimmäinen on käyttökelpoinen oletus monissa fysikaalisissa tilanteissa. Tällöin voidaan suorittaa niin sanottu adiabaattinen approksimaatio. Sen mukaan systeemi, joka on aikakehityksen generoivan Hamiltonin operaattorin ominaistilassa, pysyy vastaavassa ominaistilassa ympäristön muuttuessa äärettömän hitaasti, mikäli systeemin eri energiatasot eivät leikkaa toisiaan. Todellisissa tilanteissa muutos ei tietenkään voi olla äärettömän hidasta ja myös energiatasojen leikkaukset ovat mahdollisia, jolloin tapahtuu transitio eri ominaistilojen välillä. Energiatasojen leikkauksilla on oleellisia vaikutuksia erittäin monissa fysikaalisissa prosesseissa ja niitä kuvaamaan on luotu monia malleja kvanttimekaniikan alkuajoista lähtien aina tähän päivään saakka. Nykyinen teknologinen kehitys on avannut uudenlaisen mahdollisuuden ilmiön kokeelliseen varmentamiseen ja hyödyntämiseen. Tämän vuoksi kyseisten mallien dynamiikan ja erityisesti energiatasojen useiden peräkkäisten leikkausten aiheuttamien koherenssi-ilmiöiden selvittäminen on tärkeää. Tässä työssä käsitellään kvanttimekaanisia kaksitasosysteemejä, joissa esiintyy energiatasojen leikkauksia sekä niiden pitkän aikavälin dynamiikkaa. Tutkielmassa perehdytään tarkemmin kahteen tiettyyn malliin. Näistä ensimmäinen, Landau-Zener -malli, on tunnetuin ja sovelluksissa käytetyin malli. Kuitenkin erityisen mielenkiinnon kohteena on niin kutsuttu parabolinen malli, jolle johdetaan eri approksimaatioita käyttäen asymptoottiset transitiotodennäköisyydet eri tilojen välille. Näitä verrataan numeerisiin tuloksiin.
Kvanttipilviympäristöt mahdollistavat käyttäjille kvanttilaitteiston käytön ja kvanttitehtävien suorittamisen etäyhteyden kautta. Nykyinen kvanttilaitteisto on kuitenkin kohinaista ja resurssien saatavuudeltaan rajallista. Tämä rajoitus johtaa usein jonojen ruuhkautumiseen, koska pilviympäristöjen resurssit ovat jaettuja. Olemassa olevat ajoitusmenetelmät valitsevat yleensä kvanttilaitteiston, jolla lähetetty kvanttitehtävä suoritetaan, minkä jälkeen tehtävien suoritusjärjestys noudattaa FIFO-periaatetta. Tämä voi olla tehotonta pilvipalveluympäristöjen ennakoimattoman ja purskeisen luonteen vuoksi. Tässä tutkielmassa suunnitellaan ja arvioidaan älykkäämpää ajoitusmenetelmää, joka hyödyntää syvää vahvistusoppimista. Ehdotettu agentti oppii paitsi ajoittamaan tehtävän tietylle kvanttilaitteistolle myös päättämään tehtävän sijoituspaikan valitun laitteiston jonossa. Tavoitteena on lyhentää tehtävien odotusaikoja samalla, kun laskennan laatu säilytetään hyväksyttävällä tasolla. Ehdotettua menetelmää testataan QSimPy-pohjaisessa simulaatioympäristössä, ja tulokset osoittavat, että ehdotettu ajoitin saavuttaa lyhyemmät keskimääräiset jonotusajat kuin perinteiset heuristiset ajoitusmenetelmät, samalla kun laskennan laatu säilyy onnistuneesti. Odotusaikojen ja laskennan laadun välinen kompromissi on kuitenkin edelleen väistämätön kvanttipilviympäristöissä, joissa resurssit ovat rajallisia ja heterogeenisiä.
NISQ-aikakauden kvanttitietokoneet kohtaavat edelleen useita rajoituksia, kuten rajallisen kubittimäärän, kohinan, lyhyen koherenssiajan sekä rajoittuneen laitteistokytkeytyvyyden. Näiden rajoitusten vuoksi suurten kvanttipiirien suorittaminen nykyisellä kvanttilaitteistolla on edelleen vaikeaa. Skaalautuvuuden parantamiseksi tutkijat ovat kehittäneet circuit knitting-, circuit partitioning- ja hajautetun kvanttilaskennan menetelmiä. Tämä tutkielma esittää luokitteluun perustuvan kirjallisuuskatsauksen näistä tutkimusalueista. Työssä tarkastellaan keskeisiä haasteita, kuten näytteenottoylikuormaa, rekonstruktiokustannuksia, viestinnän monimutkaisuutta sekä laitteistotietoista suorittamista. Lisäksi tutkielmassa käsitellään viimeaikaisia kehityssuuntia adaptiivisissa, automatisoiduissa ja hybridisissä kvantti- ja klassisissa järjestelmissä. Tulokset osoittavat, että näytteenottoylikuorma ja lomittumisen jakaminen ovat edelleen merkittäviä haasteita skaalautuville kvanttijärjestelmille.
Nykyiset keskikoon kvanttitietokoneet ovat häiriöherkkiä, ja kvanttilaskenta on luonteeltaan todannäköisyyspohjaista. Tästä johtuen ohjelmoijat ja tutkijat kohtaavat merkittäviä toistettavuushaasteita toimiessaan tämän sukupolven kvanttiohjelmointi ympärsitöissä. Järjestelmmällinen kokeiden seuranta tarjoaa ratkaisun tähän onglemaan. Seurantakäytännöt eivät kuitenkaan ole vielä laajasti yleistyneet, sillä niiden toteuttaminen vaatii osaamista käytettävistä ohjelmistoista, sekä tuntemusta kvanttilaskennan ja -tietokoneiden tietojen eheydestä ja olennaisista seurattavista tietueista. Aiempaan tutkimukseemme, jossa toteutimme MLflow-ohjelmistoon pohjautuvan kokeiden seuranta järjestelmän Qubernetes alustalle, pohjautuen, tässä pro gradu -tutkielmassa selvitetään tekoälypohjaisen avustajan käyttöä seurannan toteutuksessa.Tutkimuksen tuotoksena toteutettin ohjelmistoratkaisu. Ohjelmisto toteutettiin Visual studio code - ohjelmiston laajennoksena ja se on toteutettu Python-kielellä. Toteutus tarjoaa käyttäjälle tukea kvanttiohjelmointi kokeiden seurannassa ohejistamalla seurattavien kohteiden asettamisessa ja valinnassa. Kehitetty ohjelmisto on toteutettu toimimaan Qiskit-kirjastoon perustuvien ohjelmistojen kanssa. RAGAS-menetelmään perustuvan avustaja ominaisuuksien arvioinnin mukaan hybridietsintämenetelmämn ja RAG-agenttiarkkitehtuurin yhdistäminen saavutti parhaimmat koetulokset, 0,908, oikeellisuuden arvioinnissa OpenAI:n GPT -5.4-mallilla. Paikallisesti suoritettuna toteutuksena Qwen 3.5 (9b)-malli saavutti koetuloksen 0,814, joka osoitti mallin olevan varteenotettava vaihtoehto kaupallisille ulkoistetuille malleille. Osana tutkimustyötä toteutettu koodin syöttö-ominaisuus paljasti puutteita kvanttilaskennan erityispiirteisiin ja sen kannalta olennaisiin tietueisiin liittyen. Toimiakseen suunnitellulla tavalla ominaisuus vaatisi jatkokehitystä. Tämä pro gradu -tutkielma esittelee tuotetun ohjelmistoratkaisun ja kuvaa sen arvioinnin RAG järjestelmien arviointiin tarkoitetulla menetelmällä. Työssä kohtaa kaksi nousevaa tietotekniikanalaa, kvanttiohjelmoinnin ja tekoälyn käytön ohjelmistokehtyksen tukena.
Tämä kanditutkielma tarkastelee kvanttiohjelmistojen testauksen kustannustehokkuutta. Työssä vertaillaan simulaatioympäristöä todelliseen kvanttilaitteistoon. Tutkimuksen pääkysymys on, kuinka tehokkaita kvanttiohjelmistosimulaatiot ovat verrattuna kvanttilaitteistoon. Tutkimus on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jossa on analysoitu alan ajankohtaisia tutkimuksia, kustannusmalleja ja teknisiä rajoitteita. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että simulaatiot ovat tällä hetkellä saavutettavampia ja kustannustehokkaampia erityisesti kehityksen alkuvaiheessa. Kvanttilaitteistot kuitenkin tarjoavat realistisemman testausympäristön, mutta niiden käyttö on kallista ja teknisesti rajattua. Analyysin perusteella hybridimalli, jossa simulaatiota käytetään prototyyppien kehitykseen ja laitteistoa lopulliseen validointiin, on käytännöllisin lähestymistapa. Tutkimus korostaa tarvetta kehittää yhtenäisiä kustannusmalleja, skaalautuvia simulaatioarkitehtuureja ja tasa-arvoisia pääsymalleja kvanttilaitteistojen testaukseen. Näiden haasteiden ratkaiseminen on keskeistä kvanttiohjelmistotekniikan kestävälle ja tehokkaalle kehitykselle.
Kvanttitietokoneiden teknologia kehittyy nopeasti, lähentäen päivää, jolloin niitä pystytään hyödyntämään käytännössä. Tällöin, laskennassa käytetty salainen informaatio pystyttävä suojaamaan. Tässä työssä kartoitetaan kvanttilaskennan turvallisuusongelmia ja suojakeinoja semi-systemaattisen kirjallisuuskatsauksen avulla. Työssä havaittiin, että nykyisissä ja suunnitelluissa käyttömalleissa löytyvien tietoturva-aukkojen takia pilvipalvelut, sekä niiden muut käyttäjät muodostavat merkittävän turvallisuusuhan. Lisäksi, löydettyjen uhkien torjuntakeinojen kehitys on vasta aluillaan. Havainnot osoittavat, että kvanttilaskennan turvaaminen vaatii vielä suuria ponnistuksia.