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.
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.
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.
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.
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.
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.
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