Kvantti-ilmiöt ja niihin perustuvat sovellukset ovat monelle asiantuntijalle aihe, josta tietää tarpeeksi tietääkseen, että asiaa olisi hyvä ymmärtää paremmin. Pitkään onkin ollut niin, että painokas nyökyttely ja ”tulevaisuuden teknologia”-myhäily ovat riittäneet fyysikkoja lukuun ottamatta lähes kaikille. Lähitulevaisuudessa päättäjiltä vaaditaan kuitenkin enemmän, sillä kvanttiteknologiat tuovat mahdollisuuksia ja uhkia myös muille aloille – kansallinen turvallisuus mukaan lukien.

Kvantti-ilmiöt ovat aiheuttaneet harmaita hiuksia fyysikoille jo vuosisadan, mutta kvanttiteknologioiden sovelluksista ja erityisesti kvanttilaskennasta ymmärretään yhä vasta pintaraapaisu. Fysiikan Nobel-palkinnon voittanut varhainen kvanttifyysikko Niels Bohr onkin todennut, että jos kvanttiteorian kohdatessaan ei ole shokissa, ei ole voinut sitä ymmärtää. 

Kvantti-ilmiöitä ei kuitenkaan tarvitse ymmärtää, jotta niiden vaikutuksista uskaltaisi puhua. Siinä missä ydinaseet ja avaruuskilpailu olivat seurausta teknologian kehityskuluista, joita harva poliitikko ymmärsi, ovat kvanttiteknologiat ja erityisesti kvanttilaskenta aiheita, joiden kehitys tulee näkymään kansallisessa ja globaalissa turvallisuudessa jo lähivuosina.

Kvanttiteknologiat ja erityisesti kvanttilaskenta ovat aiheita, joiden kehitys tulee näkymään kansallisessa ja globaalissa turvallisuudessa jo lähivuosina. Klikkaa twiitataksesi!

Siitä, mullistaako kvanttilaskenta globaalin valtatasapainon vai tulevatko sen vaikutukset näkymään lähinnä uusina, pitkään mahdottomina pidettyinä teknologioina voidaan olla montaa mieltä. Joistain asioista vallitsee kuitenkin yksimielisyys: kvanttiteknologian kilpajuoksu on maailmalla jo kovassa vauhdissa, ja kvanttitietokoneiden uhka kyberturvallisuudelle ja yhteiskunnan kriittisille toiminnoille on todellinen — eikä enää kaukana.

Fysiikkaa, filosofiaa vai kansainvälistä politiikkaa?

Ehkä keskeisin ongelma kvantti-ilmiöihin perustuvaan teknologiaan varautumisessa liittyy siihen, ettei kyse ei ole ainoastaan edistyneen – ja periaatteiltaan arkijärjen vastaisen – teknologian ymmärtämisestä, vaan myös siitä, miten käsitämme luonnon perustavanlaatuiset mekanismit. Kvantti-ilmiöiden tutkiminen tarjoaa paremman tavan tulkita meitä ympäröivää maailmaa, mutta samalla maailmamme muuttuu aiemmin ymmärtämäämme vaikeammin ennustettavaksi.  

Ronskisti yksinkertaistettuna kvanttimekaniikassa on kyse on hiukkastason ilmiöistä, joiden poikkeukselliset ominaisuudet kuten superpositio ja lomittuminen tekevät hiukkasille mahdolliseksi tiloja, jotka eivät klassisen mekaniikan maailmassa ole mahdollisia. Hiukkasten voidaan esimerkiksi sanoa olevan olemassa monessa paikassa samanaikaisesti. Vasta kun niiden sijaintia mitataan, asettuu hiukkanen yhteen sijaintiin. Kvantti-ilmiöt ovat kuitenkin herkkiä häiriöille, joten niiden hyödyntäminen on fyysikoillekin vaikeaa. Parhaimmillaan kuitenkin kvantti-ilmiöt mahdollistavat uusien teknologioiden kehittämisen, ehkä merkittävimpänä kvanttitietokoneen mukanaan tuoman laskentatehon eksponentiaalisen kasvun.

Kvanttivallankumoukseksikin kutsuttua kehityskulkua voi ja ehkä kannattaakin yhteiskunnallisesta perspektiivistä katsella kahdelta kulmalta. Yhtäältä tärkeä keskustelu liittyy siihen, minkälaisia uhkia ja mahdollisuuksia kvantti-ilmiöihin perustuvat teknologiat tulevat synnyttämään ja miten voimme hyödyntää niitä globaalien ongelmien ratkaisemiseksi. Toinen, ja jos mahdollista vielä syvempiin vesiin vielä kysymys on, miten kvantti-ilmiöiden parempi ymmärrys vaikuttaa kykyymme tarkastella ja tulkita meitä ympäröivää todellisuutta.

Jälkimmäiseen kysymykseen ovat tarttuneet muun muassa kansainvälisen politiikan huippututkijat Alexander Wendt ja James Der Derian, jotka totesivat vuonna 2020 julkaistussa artikkelissaan, että siinä missä sota on liian tärkeä asia jätettäväksi kenraaleille, on kvantti liian tärkeää jäädäkseen ainoastaan tutkijoiden käsiin. Wendt ja Der Derian ehdottavatkin, että kvanttiutunut ymmärrys maailmasta voi muuttaa luonnontieteiden lisäksi myös yhteiskuntatieteet. 

Poliittisen päätöksenteon kannalta ensimmäinen kysymys näyttäytyy huomattavasti akuutimpana. Sitä, missä tahdissa ja mihin suuntiin kvanttiteknologiat kehittyvät on jokseenkin mahdotonta ennustaa. Ennustamisen ja ennakoinnin ei kuitenkaan tarvitse kulkea käsi kädessä. Ensiarvoisen tärkeää on, että kansallista lainsäädäntöä ja kansainvälistä regulaatiota valmistellaan kehittyvien teknologioiden rinnalla sen sijaan, että odotettaisiin teknologioiden ensin ”valmistuvan”. 

Nousevat teknologiat ovat ennenkin asettaneet haasteita regulaatiolle. Varoittavana esimerkkinä voi pitää esimerkiksi auttamattomasti ajastaan jäljessä olevaa tekoälyregulaatiota. Myös kvanttiregulaation suunnittelu edellyttää kansainvälistä yhteistyötä, ja mukaan tarvitaan laaja kattaus asiantuntijoita, jotka pystyvät tarkkailemaan kehityskulkuja sekä nykyisten (kyber)turvallisuusmekanismien varmistamiseksi että uusien kyvykkyyksien vastuullisen ja läpinäkyvän käyttöönoton turvaamiseksi.

Nousevat teknologiat ovat ennenkin asettaneet haasteita regulaatiolle - yksi varoittava esimerkki tästä on auttamattomasti ajastaan jäljessä oleva tekoälyregulaatio. Klikkaa twiitataksesi!

Tuskin on yllättävää, että kvanttiteknologioiden uudet sovellukset kiinnostavat erityisesti puolustusteollisuudessa. Kvanttitietokoneen lisäksi muun muassa edistyneet kvanttitietoliikenteen sovellukset tarjoavat mahdollisuuksia sekä siviili- että puolustusteollisuudelle. Kvanttiantureiden on maalailtu tulevaisuudessa mahdollistavan esimerkiksi ”näkemisen” kulman taakse tai ihmisaivojen kuvantamisen kannettavalla laitteella. Erityisesti autoritäärisiä valtioita taas voi houkutella mahdollisuus rajoittaa vapaata tiedonkulkua avoimessa internetissä, kun infrastruktuurin päivittäminen kvanttiaikakaudelle alkaa. Suurimmat ja samalla akuuteimmat lupaukset ja uhkat keskittyvät kuitenkin kvanttilaskentaan, ja tällä osa-alueella tarve varautumiselle on akuutein.

Kvanttilaskenta murtaa salaukset ja turvallisuuden illuusion

Kun kvanttitietokoneet tavoittavat tarvittavan kypsyystason, pystyy niiden ennennäkemätön laskentateho murtamaan nykyiset salausmenetelmät. Superpositioihin, lomittumisiin ja muihin kvantti-ilmiöihin sen syvemmälle menemättä voi todeta, että kvanttitietokoneessa ei ole kyse ”entistä tehokkaammasta tietokoneesta”, vaan laitteesta, jonka toiminta poikkeaa radikaalisti klassisista tietokoneista ja joka hyödyntää atomitasoisia luonnonilmiöitä tehdäkseen sekunneissa laskutoimituksia ja simulaatioita, joihin nykyisiltä supertietokoneilta voisi kulua tuhansia vuosia. Tästä syystä nykyisen kryptografian uskotaan olevan tulevaisuuden kvanttitietokoneille lasten leikkiä. 

Kyky purkaa nykysalauksia on yksi kansallisen turvallisuuden kannalta merkittävimmistä kvanttitietokoneen laskentatehon tuomista muutoksista – ainakin lyhyellä ja keskipitkällä aikavälillä.  Kun vahvimpinakin pidetyt nykyiset salaukset muuttuvat haavoittuvaisiksi, voivat monet yhteiskunnan kriittiset funktiot kuten energia- ja pankkijärjestelmät jäädä alttiiksi hyökkäyksille. Ilman riittävää ja riittävän varhaista varautumista sama koskee myös ase- ja puolustusjärjestelmiä.

Joulukuussa 2021 Yhdysvaltain kongressille toimitetussa selvityksessä arvioidaan, että nykyisten salausmenetelmien purkamiseen pystyvän kvanttitietokoneen olevan käytössä mahdollisesti jo noin kymmenen vuoden kuluttua. Seurauksia raportti kuvaa ”potentiaaliseksi turvallisuuskatastrofiksi”, sillä salausten murtaminen voisi antaa Yhdysvaltojen vihollisille pääsyn muun muassa armeijan ja tiedustelun kriittiseen informaatioon.

Varautumisen rooli korostuu, sillä kyse ei ole ainoastaan kilpajuoksusta kvanttikoneiden kehittymisen kanssa, vaan uhka on aidosti akuutti. Varauduttava on nimittäin myös skenaarioon, jossa tänään vääriin käsiin päätyvän turvaluokitellun materiaalin salaukset saadaan purettua esimerkiksi kymmenen vuoden päästä, jolloin tieto voi yhä olla arvokasta. Ennakointi onkin erityisen tärkeää juuri puolustusteknologiassa. Monilla järjestelmillä – kuten viimeaikainen hävittäjäkeskustelu on muistuttanut – on vuosikymmenten käyttöikä, joten kvanttitietokoneiden potentiaalinen uhka on huomioitava jo ennen sen realisoitumista.

Pioneerit ja peränpitäjät – teknologiamurrokset tehdään isolla rahalla

Siinä missä ydinaseet ja avaruusmissiot aikanaan, myös kvanttikyvykkyys tulee ainakin väliaikaisesti jakamaan maat kahteen leiriin, joista toisilla on hallussaan kvanttitietokone ja sen mukanaan tuomat mahdollisuudet ja toisilla ei. Kaupallisia ja siviilisovelluksia ajatellen fyysisen kvanttitietokoneen sijainti ei varsinaisesti ole kvanttikyvykkyyden kannalta keskeistä, sillä monien kvanttitietokonetta kehittävien tahojen tavoitteena on tuoda laskentakapasiteetti käyttäjien saavutettaviin erilaisten pilviratkaisujen kautta. Sen sijaan eri maiden hallituksilla on luonnollisesti motivaatiota varmistaa olosuhteista riippumaton kvanttikyvykkyys, ja kvanttiteknologioiden geopoliittinen merkitys kasvaa vähintään symbolisesti. 

Kvanttikyvykkyys tulee ainakin väliaikaisesti jakamaan maat kahteen leiriin, joista toisilla on hallussaan kvanttitietokone ja sen mukanaan tuomat mahdollisuudet ja toisilla ei. Klikkaa twiitataksesi!

Yksiselitteisiä mittareita maiden keskinäiseen vertailuun on vaikea määrittää. Yhteisymmärrys kuitenkin vallitsee siitä, että kansainvälistä kvanttikilpailua johtavat Yhdysvallat ja Kiina. Kiinassa kvanttiteknologioiden kehitys on voimakkaasti valtiojohtoista, kun taas Yhdysvalloissa tärkeässä roolissa on myös yksityinen sektori, mukaan lukien teknologiajätit Google, Amazon ja IBM. Yhdysvaltojen ja Kiinan välisten suhteiden kiristyessä ei liene yllättävää, että kilpajuoksu kiristyy myös kvanttitietokoneiden kehittämisessä. Myös NATO on viimeisen vuoden aikana nostanut kvanttiteknologiat potentiaaliset uhat ja mahdollisuudet toistuvasti esiin. 

Eurooppa ei ole Yhdysvaltoja ja Kiinaa auttamattomasti jäljessä. Erityisesti Ranska ja Saksa ovat viime vuosina tehneet merkittäviä panostuksia kvanttilaskentaan. Myös Suomessa tapahtuu. Joulukuussa Teknologian tutkimuskeskus VTT ilmoitti Suomen ensimmäisen kvanttitietokoneen olevan toiminnassa. Viittä “kvanttibittiä” eli kubittia pyörittävä kone on tällä hetkellä kaukana maailmaa mullistavista laskutoimituksista, mutta se nostaa Suomen vielä harvalukuiseen joukkoon maita, joissa on toistaiseksi rakennettu toimiva kvanttitietokone. Hallituksen keväällä 2020 myöntämä yli 20 miljoonan euron rahoitus VTT:n kvanttitietokoneelle kertonee poliittisesta tahtotilasta. 

Keskustelu – ja erityisesti poliittinen keskustelu – kvanttiteemoista on Suomessa ollut lähes olematonta, mutta osaamista onneksi löytyy. Puolustustutkimuksen vuosikirja 2021 osoittaa, että Puolustusvoimista löytyy aiheen tiimoilta sekä kiinnostusta että osaamista, ja Business Finlandin rahoittama tänä vuonna päättyvä kvanttiturvallisen kryptografian kehittämiseen keskittyvä PQC-hanke on eurooppalaisellakin tasolla poikkeuksellinen. Lisäksi Suomessa toimii useita kvanttialan yrityksiä.

Turvallisuuden uusi todellisuus

Kvanttiteknologiat hyödyntävät fysiikan ilmiöitä, jotka kuvaavat todellisuutta ehkä paremmin kuin mihin tiede on koskaan ihmisen historiassa pystynyt. Hankalaa asiassa on, ettei se noudata logiikkaa, jolla olemme tottuneet tulkitsemaan maailmaa. Jos tämän ymmärtäminen on hankalaa, lienee lohdullista, että sitä se oli myös Albert Einsteinille.

Lähes sata vuotta sitten, Solvayn fysiikan konferenssissa vuonna 1927, Einstein ja kvanttifysiikan pioneeri Niels Bohr eivät päässeet yhteisymmärrykseen kvanttifysiikan luonteesta. Luonnon syy-seuraussuhteisiin vakaasti uskonut Einstein kritisoi kvanttifysiikkaa todeten: ”Jumala ei heitä noppaa,” mihin Bohrin sanotaan vastanneen ”Einstein, älä kerro jumalalle mitä tehdä”. 

Historia on osoittanut Bohrin olleen oikeassa; kasvanut ymmärrys kvantti-ilmiöistä on osoittanut, ettei maailmankaikkeudesta ”zoomaamallakaan” paljastu siistiä syy-seuraussuhteiden ketjua. Toisaalta kvantti-ilmiöt osoittavat meille myös, etteivät mahdollisen rajat tulekaan vastaan siellä, mihin olemme ne aiemmin kuvitelleet. Parhaimmillaan laskentatehon eksponentiaalinen kasvu voi mullistaa muun muassa lääkekehityksen ja materiaalitieteet ja auttaa ratkaisemaan suurimpia ihmiskuntaa uhkaavia haasteita.

Sillä aikaa, kun fyysikot ja teollisuus puskevat eteenpäin kvanttivallankumousta ja yhteiskuntatieteilijät rakentavat varhaisia skenaarioita sen mahdollisista vaikutuksista, on päättäjillä kiire keskittyä palaseen, joka ei vaadi fysiikan nobelia. Kvanttiteknologioiden murrokseen voi valmistautua pala palalta, ja ensimmäisenä vuorossa on kriittisten toimintojen turvaaminen.

___

Kirjoittaja: Ulla Henttonen

Editointi: Heta Hassinen, Tuulikki Olander

Kielenhuolto: Matti Marjamäki