Tietoverkkojen käyttäjämäärien kasvu tuo mukanaan ruuhkia, jotka näkyvät palveluiden käyttäjille viiveinä ja katkoksina. Samalla verkkojen ja sovellusten monimutkaistuminen haastaa myös verkkojen ohjauksen ja hallinnan. VTT on käynnistänyt hankkeen, joka tutkii, miten verkkojen ongelmia voitaisiin ratkoa kvanttilaskentaa hyödyntäen.
Esimerkiksi kysymyksiä, missä järjestyksessä eri käyttäjiä palvellaan ja mitä reittejä pitkin liikenne kannattaa siirtää, jotta kaikki saavat luvatun palvelunlaadun, voidaan yhdessä kutsua kombinatorisiksi ongelmiksi. Käytännössä kyse on siitä, miten verkon resurssit jaetaan mahdollisimman optimaalisesti kaikkien kannalta.
VTT:n erikoistutkija Kari Seppäsen mukaan tietoliikenneverkkojen monimutkaistuessa ja niitä käyttävien sovellusten määrän lisääntyessä myös optimoitavien tekijöiden kombinaatioiden määrä nousee. - Tämä tekee erittäin haastavaksi päättää, missä järjestyksessä ja millä resursseilla eri käyttäjiä palvellaan.
Näitä kombinatorisia ongelmia on tähän mennessä ratkottu pitkälti heuristisin menetelmin eli esimerkiksi ongelmaa yksinkertaistaen. Ne kuitenkin tuottavat yleensä likimääräisiä vastauksia, jotka voivat johtaa heikompaan suorituskykyyn. Tilastoihin ja dataan perustuvat optimointimenetelmät kuluttavat puolestaan paljon energiaa, eivätkä ratkaisut ole välttämättä riittävän nopeasti käytettävissä tilanteisiin, joissa pitää reagoida muutoksiin, kun esimerkiksi palvelimeen ei saada yhteyttä.
VTT:n tutkimushankkeessa kombinatorisia ongelmia ratkotaan kvantti- ja klassisen laskennan yhdistävillä hybridialgoritmeilla, joilla saadaan paras hyöty irti kummastakin laskentatavasta. Näin voidaan lopulta kasvattaa verkkojen kapasiteettia. Vaativat sovellukset saavat tällöin tarvitsemansa palvelunlaadun kuormitetussakin verkossa ja samalla säästyy myös energiaa.
- Kvanttitietokoneilla pystytään jo tässä vaiheessa tuottamaan nopeasti uusia ja tarkempia ratkaisuvaihtoehtoja, joita voidaan sen jälkeen arvioida klassisilla tietokoneilla. Tai voidaan sanoa myös päinvastoin, että klassillista heuristiikkaa parannetaan kvanttialgoritmeilla. Hybridimenetelmässä algoritmeja ja tuloksia ajetaan iteratiivisesti läpi monta kertaa kummallakin tavalla, kunnes päästään optimaaliseen lopputulokseen, kertoo Seppänen.
Combinatorial Optimization with Hybrid Quantum-Classical Algorithms -niminen hanke käynnistyi heinäkuussa 2023 ja jatkuu kesäkuuhun 2025. Tutkimushankkeeseen osallistuu tietoliikenne-, krypto- ja kvanttiosaajia, ja projekti tuo kvanttialgoritmien suunnitteluun paljon uutta tietotaitoa. Projektissa on VTT:n lisäksi mukana useita suomalaisia yrityksiä, mukaan lukien Nokia Bell Labs, Cumucore ja Unitary Zero Space. Yritykset tuovat mukanaan ne ongelmat, joihin hankkeessa pureudutaan.
Bell Lansin vanhempi tutkija Karthik Upadhya uskoo, että kvanttilaskennan avulla voidaan ratkaista viestintäverkoissa yleisiä kombinatorisia ongelmia, jotka liittyvät resurssien jakamiseen, reititykseen ja aikataulutukseen sekä verkon suunnitteluun. - Nokia johtaa tällä hetkellä eurooppalaisia 6G:n lippulaivahankkeita Hexa-X sekä Hexa-X-II. Tuomme VTT:n hankkeeseen tietoliikennealan asiantuntemuksemme, jolla 6G:tä voidaan edistää klassisen ja kvanttilaskennan yhdistelmällä edelleen, Upadhya arvioi.
Tutkimuksessa on tarkoitus hyödyntää myös LUMI-supertietokonetta. Pyrkimys on yhdistää VTT:n kvanttitietokoneella ja supertietokoneella suoritettava laskenta VTT:n 5G- ja 6G-verkkoihin ja osoittaa, että niillä voidaan ratkaista konkreettinen käytännön ongelma. Tutkimuksen kohteina ovat lisäksi hilaongelmat sekä kvanttiturvalliset salausmenetelmät.
Lisätietoa projektista löytyy täältä.
Tekoäly, kehittyneet yhteydet ja tietoturva muuttavat sulautettujen järjestelmien arkkitehtuureja. Laskentateho kasvaa nopeasti samaan aikaan, kun laitteiden fyysinen koko pienenee. Tietoturva, datan hallinta ja uudet säädökset lisäävät vaatimuksia niin yhteyksille kuin suunnittelullekin. Samalla laitevalmistajat pyrkivät nopeuttamaan tuotekehitys- ja testaussyklejään.
