Juttu on julkaistu Yliopisto-lehdessä 3/2026.
Kuuntele juttu
Kun
Lapsi ei kuitenkaan voinut olla samaan aikaan matkalla ja kavereiden kanssa. Atomitasolla kaikki on toisin. Kun elektroni on superpositiossa, se on yhtä aikaa kaikkialla. Ja tämä on vain yksi kvanttimekaniikan kummallisuuksista.
Miksi kvanttimekaniikka tuntuu niin järjenvastaiselta? Eikö luonto noudatakaan luonnonlakeja?
— Arkijärki on muodostunut sen mukaan, mitä kykenemme aistimaan ja mitä aistimme viestivät aivoillemme. Kvanttimekaniikka käsittelee erittäin pienten mittakaavojen ja matalien lämpötilojen ilmiöitä, joista ihminen ei voi saada suoria havaintoja, Keski-Vakkuri selittää.
Luonnonlait siis ovat samat, mutta ne näyttävät erilaisilta eri mittakaavoissa.
Atomien viestit
Vaikka emme käsittäisikään kvanttimekaniikkaa arkijärjellä, se on läsnä arjessamme. Siihen nojaavat muun muassa älypuhelimet ja tietokoneet, aurinkopaneelit ja ydinvoima, GPS-navigointi ja aivokuvantaminen.
— Moderni elämä perustuu siihen, että olemme oppineet hyödyntämään kvanttimekaniikkaa, Keski-Vakkuri toteaa.
Kvanttiteoria on myös yksi tarkimmin testatuista tieteellisistä teorioista. Albert Einstein kutsui sitä vastenmieliseksi, mutta yhtä kaikki teoria toimii.
Atomit voivat vaihtaa viestejä ja energiaa vain tietyn kokoisina paketteina, joita kutsutaan kvanteiksi. Niihin liittyviä ilmiöitä voi ohjata ja hallita, mikä avaa monia mahdollisuuksia teknologisille sovelluksille. Yksi niistä on kvanttilaskenta.
Savolainen bitti
Tavallisessa tietokoneessa lasketaan biteillä, jotka voivat olla joko ykkösiä tai nollia. Kvanttitietokoneessa taas on kvanttibittejä eli kubitteja. Kun ne ovat superpositiossa, niiden tila on yksi ja nolla samanaikaisesti, tai ne ovat pikemminkin näiden tilojen välissä.
Tietokirjailija Tommi Tenkanen luonnehtii superpositiossa olevaa kubittia savolaiseksi bitiksi: ”tila voi olla ykkönen, mutta voepi se olla nollakin”. Esko Keski-Vakkurista vertaus on hyvä.
Kun kubitit ovat superpositiossa, kvanttitietokone kokeilee kaikkia mahdollisia tuloksia samanaikaisesti ja laskenta voi nopeutua eksponentiaalisesti. Se myös kuluttaa vähemmän energiaa kuin tavallinen tietokone.
Ongelma on, että superpositio eli kvanttitila romahtaa äärimmäisen herkästi minkä tahansa häiriön, myös mittauksen, takia. Silloin kubitista tulee tavallinen bitti, joka voi olla vain ykkönen tai nolla.
— Kvanttitilan suurin mysteeri on se, miten romahtaminen tapahtuu ja miksi. Kukaan ei ymmärrä sitä, Keski-Vakkuri sanoo.
Kvanttitaikuutta
Superposition lisäksi kvanttilaskennassa on muitakin erikoisuuksia. Kubitit voivat lomittua keskenään niin, että ne muodostavat yhden kvanttisysteemin, jota voi kontrolloida samanaikaisesti kubittien etäisyydestä riippumatta.
— Oletetaan, että minulla on kaksi lomittunutta kvanttikolikkoa, jotka ovat tietyllä todennäköisyydellä kruuna tai klaava, ja annan niistä toisen sinulle. Sinä matkustat Rovaniemelle. Minä katson omaa kolikkoani ja totean, että se on klaava. Silloin sinunkin kolikkosi Rovaniemellä on klaava.
Monet kvanttialgoritmit hyödyntävät lomittumista. Sitä ja superpositiota pidetään usein syynä kvanttilaskennan tehokkuuteen, mutta ne yksin eivät riitä. Lisäksi käytetään erityisiä kvanttiportteja. Ne luovat laskutehtävään ovelan rakenteen, joka tarvitaan nopeuttamaan laskemista. Tätä fyysikot kutsuvat ”taikuudeksi”.
Virheitä lieventämään
Kvanttitietokoneisiin on asetettu paljon toiveita. Niiden avulla voitaisiin ehkä löytää uusia lääkkeitä, hiiltä sitovia molekyylejä sekä korvikkeita muoville ja harvinaisille maametalleille. Ne voisivat optimoida reittejä ja osakesalkkuja ja valmistaa lannoitteita vähemmällä energiankulutuksella.
Nykyiset kvanttitietokoneet eivät tähän yllä. Ne ovat niin sanottuja kohinaisia laitteita, jotka tekevät paljon virheitä. Virheitä pyritään sekä estämään laskennan aikana että lieventämään jälkikäteen. Voidaan esimerkiksi käyttää ylimääräistä informaatiota.
— Jos tavaan nimeni puhelimessa sanomalla E niin kuin Erkki, S niin kuin Sanna, K niin kuin Kalle ja O niin kuin Olli, käytän paljon informaatiota varmistaakseni, että neljä kirjainta tulevat oikein. Tässä on kyse samasta, Keski-Vakkuri vertaa.
Jäähdyttämällä ja eristämällä voidaan vähentää häiriöitä. Fyysisiä kubitteja voidaan myös kytkeä yhteen loogisiksi kubiteiksi, joissa ne korjaavat toistensa virheitä. Tällöin fyysisiä kubitteja tarvitaan jopa miljoonia. Suomessa IQM ja VTT rakentavat parhaillaan 300 kubitin kvanttitietokonetta.
— Ne kvanttitietokoneet, joita halutaan, olisivat virheenkestäviä laskukoneita. Vielä ei olla siellä asti.
Hyvä harjoitella
Nykyisillä kvanttitietokoneilla on kuitenkin hyvä opetella, kuinka kvanttitietokone toimii, ja harjoitella kvanttilaskentaa. Ne ovatkin pääasiassa opetus- ja tutkimuskäytössä.
Algoritmien kehittäminen kvanttitietokoneelle on vaikeaa. Ensinnäkin on keksittävä algoritmi, joka perustuu kvanttimekaniikan sääntöihin. Sitten on osoitettava, että se toimii tehokkaammin kuin klassisen tietokoneen algoritmit.
Klassinen tietokone voi kiriä saavutetun kvanttiedun nopeasti kiinni. Niille on ohjelmointikieliä, joilla ohjelmien kirjoittaminen on helpompaa. Kvanttilaskentaan sellaisia ei vielä ole.
Ensimmäisiä asioita, joihin Keski-Vakkuri uskoo kvanttitietokoneiden soveltuvan, ovat fysikaalisten mallien simulointi sekä materiaalitutkimus. Kvanttilaskennalla voi myös parantaa mittausten tarkkuutta esimerkiksi lämpömittareissa ja mikroskoopeissa.
Dynamiittia
Kvanttitietokoneeseen liittyy myös riskejä. Tarpeeksi tehokas kvanttitietokone nimittäin pystyy murtamaan nykyisin käytössä olevat salausjärjestelmät. Sitä on kuvattu dynamiitiksi pankkiholvin ovella.
Tavallisin nyt käytössä oleva salaus perustuu kahden alkuluvun tuloon. Tarpeeksi suurilla, jopa 50-numeroisilla luvuilla, tavallisen tietokoneen on hidasta jakaa tulo tekijöihin. Jo vuonna 1994 Peter Shor kuitenkin kehitti algoritmin, jolla kvanttitietokone pystyy jakamaan isotkin luvut tekijöihin nopeasti.
Nykyiset kvanttitietokoneet eivät Shorin algoritmia pyöritä, mutta tulevaisuudessa se voi onnistua. Vakoojat ja rikolliset voivat jopa nyt kerätä talteen salattua dataa ja murtaa sen myöhemmin.
Pankkien lisäksi uhattuna ovat esimerkiksi ihmisten terveystiedot ja valtioiden puolustus- ja tiedustelutiedot. Myös liikenteenohjaus ja energian- ja vedenjakelu voisivat kärsiä.
Tiedot turvaan
Kansainvälinen valuuttarahasto on kehottanut pankkeja varautumaan uhkiin, ja Suomessa Huoltovarmuuskeskus on myös varoitellut asiasta. Käyttöön pitää ottaa kvanttiturvalliset salausmenetelmät.
Sellaisia on jo olemassa: Yhdysvaltain standardisointi- ja teknologiainstituutti NIST standardoi vuonna 2024 neljä salausalgoritmia, joita kvanttitietokone ei murra. Maailmanlaajuinen siirtymä on kuitenkin hidas ja maksaa miljardeja euroja.
VTT teki pari vuotta sitten selvityksen, jonka mukaan Suomessa vain muutama prosentti yrityksistä oli tehnyt konkreettisia toimia kvanttiturvallisten salausmenetelmien käyttöönottamiseksi, vaikka kolme neljästä oli tietoisia uhasta.
— Aikaa siirtymään on. Salauksen murtavaa kvanttitietokonetta tuskin tulee ihan heti. Veikkaukseni on, että siinä menee kymmenisen vuotta. Uusi tieto kuitenkin kannattaa salata kvanttiturvallisesti jo aiemmin, Keski-Vakkuri arvioi.
Tulevaisuudessa kvanttien avulla saadaan aikaan ehkä vielä parempi salaus. Kvanttitiloja ei voi kopioida tuhoamatta niiden tilaa. Kvanttikommunikaatiota ei siten voi vakoilla paljastumatta. Euroopassa on jo tekeillä maita yhdistävä kvanttikommunikaatioverkko.
Mikä kubitti?
Kubitteja voi valmistaa eri tavoin. Suomessa olevat kvanttitietokoneet käyttävät suprajohtavia piirejä. Ne ovat lähelle nollapistettä jäähdytettyjä virtapiirejä, joita on helppo valmistaa ja nopea operoida. Huonona puolena on alttius romahtaa pois superpositiosta, ja ne ovat myös melko alttiita virheille.
Muita vaihtoehtoja ovat loukutetut atomit ja ionit, jotka pysyvät pidempään superpositiossa, mutta ovat hitaampia käyttää. Myös fotoneita käytetään kubitteina joissain kvanttitietokoneissa.
— Jokaisella vaihtoehdolla on omat vahvuutensa ja heikkoutensa, Keski-Vakkuri tuumii.
Kvanttikoneoppimisessa yhdistyy kaksi kuumaa alaa, tekoäly ja kvanttilaskenta. Molemmat kärsivät virheistä ja vaikeasta ymmärrettävyydestä. Olisiko näistä apua toisilleen?
— Kvanttikoneoppimiseen liittyy paljon hypeä. Aika näyttää, miten hyvin se toimii. Toisaalta alan suomalainen startup-yritys Qutwo on lähtenyt hyvin liikkeelle.
Epämääräisyys on kvanttimekaniikan perustavanlaatuinen ominaisuus, fyysikko toteaa. Koneoppimisessa epämääräisyys taas johtuu siitä, ettei tekoälyn toimintaa ymmärretä täydellisesti.
Aivot solmuun
Pitäisikö kaikkien yrittää käsittää kvanttimekaniikkaa, vaikka se on niin vaikeaa?
— Tässä vaiheessa kvanttilaskenta ei vielä paljon tavallista kansalaista koske. Mutta jos haluaa aivonsa solmuun, näin se onnistuu. Kvanttimekaniikasta saa myös hyviä pubivisakysymyksiä. Se selittää esimerkiksi, miksi tavarat pysyvät pöydällä.
Ehkä kvanttitiedettä voi ymmärtää paremmin fiktion avulla. Muutaman vuoden takainen tieteiskomedia Everything Everywhere All at Once (2022) hyödynsi kvanttifysiikan monimaailmateoriaa hykerryttävästi. Supersankarielokuva Ant-Manissa (2015) taas seikkaillaan mikroskooppisen pieneksi kutistuneena kvanttimaailmassa.
Kvanttimekaniikka on täynnä paradokseja. Esko Keski-Vakkuri on miettinyt esimerkiksi sitä, onko kvanttitila ontologinen vai epistemologinen — suomeksi sanottuna: onko se todellinen vai riippuuko se tietämisestä.
— Fyysikot ajattelevat, että kvanttitila on todellinen. Mutta mitä kauemmin kvanttimekaniikkaa pohtii, sitä enemmän alkaa epäillä, että jos se sittenkin on epistemologinen. Emme voi nähdä kvanttitilaa. Heti kun katsomme, se romahtaa.
Perinteisesti kvanttimekaniikkaa on opetettu tyylillä: suu kiinni ja laske, Keski-Vakkuri hymähtää.
— Mutta minä olen jo 60-vuotias ja siinä vaiheessa, jossa fyysikot höppänöityvät ja alkavat miettiä, mitä kvanttimekaniikka oikeastaan edes tarkoittaa.
Artikkelin lähteenä on käytetty myös Tommi Tenkasen kirjaa Kvanttikilpajuoksu (Tammi, 2025).
Yliopisto-lehti on Helsingin yliopiston tiedeaikakauslehti, joka on sitoutunut Journalistin ohjeisiin.
Kun kvanttimaailmaa yrittää selittää klassisen fysiikan termein, se luo usein vääriä mielikuvia. Opettajan pitäisi yrittää irrottautua arkipäivän intuitiosta, arvioi
— Puhuttu kieli ei kuvaa kvanttimekaniikkaa kovin hyvin. Sitä kannattaa ajatella pikemminkin matematiikan kautta. On hyväksyttävä, että oma arkilogiikka ei toimi ja opittava elämään sen kanssa, että koko homma tuntuu oudolta.
Palmgren tutki, kuinka fysikaalisten tieteiden ensimmäisen vuoden opiskelijat oppivat kvanttimekaniikkaa ja kuinka hyvin he kokivat osaavansa sitä. Opetusmetodiksi valittiin abstrakti matemaattinen lähestymistapa, joka tukee ajattelun kehittymistä paremmin kuin perinteinen kvanttimekaniikan opetus.
— Valittu lähestymistapa tuotti hyvää osaamista, mutta se varmaan oli alkuun shokki opiskelijoille, koska heidän pystyvyyskokemuksensa notkahti. Sitä onnistuttiin korjaamaan esimerkiksi ryhmätyöskentelyllä.
Kvanttimekaniikkaa opetetaan myös lukiossa, mutta sinne matemaattinen lähestymistapa on Palmgrenin mukaan luultavasti liian tekninen.
Jokaisen ei tarvitse ymmärtää kvanttitiedettä, mutta kvanttitietokoneet voivat vaikuttaa yhteiskuntaan. Siksi olisi hyvä, jos kaikki ymmärtäisivät niiden toiminnasta sen verran, että voisivat osallistua keskusteluun, Palmgren pohtii.
— Kvanttitietokoneet voivat tarvita sääntelyä tai aiheuttaa suurvaltapoliittista kahnausta. Lisäksi alalla on monenlaisia työpaikkoja tarjolla.
Palmgren työskentelee tutkimuslaitosten yhteisessä kvantti-instituutissa, joka koordinoi alan tutkinto- ja täydennyskoulutusta sekä tekee tiedeviestintää. Suunnitteilla on myös kaikille avoimia verkkokursseja kvanttimekaniikasta.
— Kvanttifyysikoiden lisäksi tarvitaan monien alojen edustajia, esimerkiksi juristeja ja päättäjiä, joilla on käsitys kvanttiteknologian vaikutuksista yhteiskuntaan, Palmgren sanoo.