Innostu kvanteista!

Pelin, leikin ja taiteen keinoin kvanttien ihmeellistä maailmaa voi avata kaikille. Näin uskoo Kvanttiteknologian huippuyksikön varajohtaja Sabrina Maniscalco, joka kehittää uusia työkaluja kvanttifysiikan opetukseen ja tiedekasvatukseen yhdessä laajan osaajajoukon kanssa. Maniscalco johtaa Quantum Play-tiimiä, joka tuo yhteen fyysikot, pelitutkijat, koneoppimisen asiantuntijat, big data –tutkijat ja yritykset.

”Se kokoaa samalla yhteen opettajat, opiskelijat, vierailevat tutkijat ja kvanteista kiinnostuneet kansalaiset. Luomme yhdessä hauskoja pelejä, videoita ja taideinstallaatioita, jotka tekevät kvanttifysiikan perusilmiöistä helpommin ymmärrettäviä.”

Suomen Akatemian lisäksi toimintaa rahoittavat Euroopan komissio, Aalto-yliopisto, Turun yliopisto ja IBM.

Suuri yleisö pääsee nauttimaan tuloksista esimerkiksi näyttelyissä, joita on jo nähty Espoossa ja Kaarinassa. Yksi jännittävimmistä on valotaideteos Quantum Garden, joka myös osallistaa kvanttitietokoneen kehittämiseen tutkijoiden apuna. Teos demonstroi superpositiota, Shcrödingerin yhtälöä ja meluhäiriötä, jotka ovat keskeisiä avainkäsitteitä.

Quantum Garden –valoteoksen suunnitteli pelitaiteilija Robin Baumgarten. Tieteellisenä asiantuntijana toiminut Sabrina Maniscalco näyttää, miten se demonstroi kvanttifysiikan ilmiöitä ja osallistaa samalla tieteelliseen tutkimukseen. (Kuva: Hanna Oksanen, Turun yliopisto)

- Tieteen lukutaidon edistäminen ei ole minulle vain työ vaan sydämen asia.

”Tulevista peleistä, kuten QCard-korttipelistä ja peliyhtiö MiTalen kanssa kehitetystä Qwis-tutkimuspelistä sekä installaatioista löytyy tietoa QPlayn nettisivuilta. Suunnitteilla on muun muassa kuusi metriä pitkä Quantum Jungle –taideinstallaatio. Se ei vain visualisoi kvantti-ilmiöitä vaan mukana on myös ääni.”

Yhteistyötä kouluttajien ja koulujen aiotaan jatkossa syventää.

”Tavoitteena on edistää ihmisten kvanttifysiikan lukutaitoa yleisesti. Tiettyjä perusasioista voi leikin ja pelien kautta avata hiukan myös lapsille. QPlayLearn on kehitteillä oleva multimediaoppimisalusta, josta tulee hauska, mutta tieteellisesti tarkka. Sitä voi soveltaa eri oppimistarpeisiin, myös vaikkapa työntekijöiden lisäkoulutukseen tai tiedeharrastajille.”

Kvanttifysiikka toi tietokoneet

Sabrina Maniscalco on kotoisin Italiasta. Hän itse innostui fysiikasta 16-vuotiaana.

”Hankin kaukoputken ja aloin tutkia tähtiä. Sitten löysin Scientific American –tiedelehden ja rakastuin fysiikkaan. Minulla oli myös ihania matematiikan opettajia, mukaan lukien oma äitini.”

Maniscalcoa kiehtoo fysiikassa, että sen avulla voi ymmärtää luontoa. Kun hän ensi kertaa tutustui kvanttifysiikkaan, sekin oli menoa.

”Nobelisti Anthony Legget on sanonut hienosti, että kvanttifysiikka on enemmän kuin teoria, se on uusi tapa katsoa maailmaa. Hiukkasten käyttäytyminen mikroskooppisella kvanttitasolla on fantastista ja todella haastaa mielikuvituksen. Itse koen pääseväni yhteyteen koko universumin kanssa!”

Osa kvanttifysiikan viehätystä on Maniscalcosta, että kielenä on tarkka matematiikan kieli.  

”Toisaalta se tekee siitä vaativaa opettaa ja opiskella. Nyt alkeiskursseillakin on aina heti vaativaa matematiikka, mikä karkottaa jopa fysiikan opiskelijoita. Siksi tarvitaan täydentäviä, luovia opetustapoja joka tasolle, missä lähdetään liikkeelle asteittain, kokeillen.”

Lapset ja nuoret on tärkeä saada kiinnostumaan fysiikasta ja muista STEM-aineista (luonnontiede, teknologia, insinöörialat, matematiikka), mukaan lukien kvanttifysiikka, korostaa Maniscalco.

Moniko mahtaa tietää, että saamme kiittää kvanttiteknologian ensimmäistä vallankumousta siitä, että saimme tietokoneet, transistorit ja laserit. Ilman kvanttifysiikkaa se ei olisi onnistunut.

”Toinen vallankumous on alkanut. Se mullistaa maailman vielä perusteellisemmin. Suomi tarvitsee kvanttifysiikan monipuolisia osaajia, jotta Suomi säilyy johtavana teknologiamaana jatkossakin.”

Läpimurto on nyt lähellä

Suomen Akatemian Kvanttiteknologian huippuyksikössä tehdään sekä perustutkimusta että kehitetään innovaatioita teollisuudelle. Mukana on noin sata tutkijaa sekä opiskelijoita Aalto-yliopistosta, Turun yliopistosta ja VTT:ltä. Tutkimusryhmiä on 11.

”Aalto-yliopistossa voi suorittaa kvanttitekniikan kandidaatin tutkinnon, mikä on Euroopassa vielä harvinaista.”

Teoreettisen fysiikan professori Maniscalcon Turun yliopistossa johtama Turku Quantum Technology on suurin kvanttiteoriaa tutkiva ryhmä. Mukana yli 20 tutkijaa.

”Tutkimme muun muassa kvanttialgoritmeja ja kehitämme mittausmenetelmiä. Tärkeimpiä tutkimuskohteita on melu, jota syntyy, kun kvanttilaitteet vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa.”

Melu on suurin haaste kehitettäessä kvanttitietokoneita. Kvanttiominaisuudet, kuten superpositio, tekevät kvanttilaitteista hyvin ainutlaatuisia, mutta ne pysyvät meluhäiriön vuoksi elossa vain hetken.

”Nyt näyttää siltä, että mitä suurempi laite, sitä suurempi on meluhaitta. Siksi maailmassa on jo pieniä kvanttitietokoneita, mutta isojen rakentaminen etenee hitaammin.

Viime vuonna kvanttitietokoneprototyypin uutisoitiin joka tapauksessa päihittäneen supertietokoneen.

”Sitä ei ole vielä todistettu. Valtaosa tiedeyhteisöstä uskoo, että läpimurto tapahtuu kuitenkin pian, ehkä jopa tänä vuonna. Lupaava uusi tutkimussuunta on yhdistää kompleksisten systeemien fysiikka ja kvanttifysiikka!”

Sabrina Maniscalco puhuu IBM Thomas J. Watson Research Centerissä Yhdysvalloissa. (Kuva: IBM) 

Mahdottomasta mahdollista

Kvanttitietokone on mullistava, koska se murtaa luonnollisen laskennan rajat.

”Voimme ratkaista isoilla kvanttitietokoneilla mahdottomiakin ongelmia, joihin supertietokoneella menisi enemmän kuin koko maailmankaikkeuden olemassaoloaika. Globaaleihin, ympäristöön, energiatuotantoon tai terveyteen, kuten lääkekehitykseen, liittyviä valtavia ongelmia saadaan ratkaistua.”

Huikeita innovaatioita tulevat olemaan myös kvantti-internet ja kvanttikryptografia, joka tekee tietoturvasta murtamatonta.

”Toivon kaikkien ymmärtävän, että kvanttiteknologia ei ole uhka, eikä harvojen etuoikeus. Se tulee hyödyttämään kaikkia. Ja myös muuttaa kaikkien arkea, kun tekoälystä, roboteista, älylaitteista ja esineiden internetistä tulee entistä tehokkaampia. Siksi jokaisen kannattaa opetella muutama perusasia kvanteista”, Sabrina Maniscalco kannustaa.

Katso lisätietoja Quantum Play-tiimin verkkosivuilta tai Turku Quantum Technology -ryhmän verkkosivuilta

Teksti: Ulla Willberg

Kuvat: A&B photography, IBM ja Hanna Oksanen, Turun yliopisto