Kvanttifyysikko Johannes Nokkala rakentaa siltaa kohti tuntematonta

Johannes Nokkala tutkii jotain niin monimutkaista, että sen ymmärtäminen on välillä vaikeaa kvanttifyysikolle itselleenkin.

Nokkalan tutkimus alkoi kvanttiteorian ja verkkoteorian yhdistämisestä, ja on edennyt viime vuosina aivan uuteen alaan, kvanttireservilaskentaan, jossa yhdistellään kvanttiteoriaa ja koneoppimista.

Miten Nokkala päätyi näin monimutkaisten ongelmien pariin?

– Kvanttifysiikassa ja sen teoreettisessa tutkimuksessa on Turun yliopistossa todella pitkä historia, ja ala on aina ollut meillä vahva painotus. En vielä opiskeluaikana tarkkaan tiennyt, mikä minua eniten kiinnostaa, mutta väitöskirjavaiheessa kiinnostuin kvanttitutkimuksesta sen yhdistämisestä verkkoteoriaan, ja aloin tutkia kvanttiverkkoja, Nokkala kertoo.

Verkkoteoria kuvaa mitä hyvänsä verkkoja ja niiden solmuja. Esimerkkinä teorian soveltamisesta Nokkala mainitsee linja-autojen ja lentokoneiden reittien muodostamat verkot, missä pysäkit tai lentokentät ovat solmukohtia. 

Verkkoteorian avulla voidaan esimerkiksi kysyä, että mitkä kentät lentokenttäverkossa ovat kaikkein tärkeimmät, tai voidaan tutkia verkon haavoittuvuutta, esimerkiksi mikä olisi pienin määrä lentokenttiä, mikä vaaditaan verkon koossa pysymiseen.

– Kvantti- ja verkkoteoria voidaan yhdistää monella tapaa. Verkkoteoria auttaa ymmärtämään kvanttisysteemeitä, sen avulla voidaan kesyttää kvanttisysteemien monimutkaisuus.

Nokkala kuvaa esimerkkinä kvanttikommunikaatioverkkoa, jossa solmukohdat voisivat olla kaupunkeja, jotka pystyvät käyttämään välillään jotain kvanttikommunikaation protokollaa. Vaikkapa kryptografiaprotokollia, joissa hyödynnetään kvanttimekaniikkaa.

– Kiinassa tutkitaan tällaisia paljon, ja Euroopassakin on jotain omia kvanttikommunikaatioverkkoja vähän pienemmässä mittakaavassa. Näitä kahta teoriaa on tutkimuksessa yhdistetty jo jonkin aikaa, ja ala on jo edistynyt mukavasti, Nokkala kertoo.

Reilu viisi vuotta sitten mukaan tuli jotain aivan uutta. Nokkala työskenteli postdoc-tutkijana IFISC-instituutissa Mallorcalla ja sai Roberta Zambrinin tutkimusryhmässä ensikosketuksen kvanttireservilaskentaan. Kahden vuoden jälkeen Nokkala palasi Suomeen, ja toi uuden aiheen mukanaan.

Siitä asti Nokkala on tehnyt alalla pioneerityötä. Maailmalla vain kourallinen oli tutkinut aihetta Nokkalan aloittaessa aiheen tutkimuksen Mallorcalla 2019. Nokkala lienee ensimmäisiä, ellei ensimmäinen, joka alkoi tutkia kvanttireservilaskentaa Suomessa. 

Hiljattain kvanttireservilaskenta on poikinut uusia tutkimusryhmiä ja -hankkeita, ja esimerkiksi Aalto-yliopisto on nykyään mukana aiheeseen liittyvässä konsortiohankkeessa.

Uusia näkökulmia kvanttireservilaskentaan

Mitä kvanttireservilaskenta tarkoittaa? Nokkala havainnollistaa aihetta esimerkillä hytkyvästä vanukkaasta, jonka liikkeellä on hiipuva muisti.

Vanukas hytkyy niin kauan kuin sitä tökitään, ja vielä jonkin aikaa viimeisen tökkimisen jälkeen. Se, millä tavalla vanukas hytkyy, riippuu siitä, miten kovaa tai hiljaa sitä on juuri tökitty. Mutta mitä enemmän aikaa on kulunut, sitä vähemmän aiemmin tapahtunut tökkiminen vaikuttaa vanukkaan liikkeeseen.

– Tätä tarkoitetaan jonkin systeemin hiipuvalla muistilla. Voimme mitata hiipuvan muistin vaikutusta kohteen käyttäytymiseen ja ennustaa tulevaa käyttäytymistä. Ja kvanttireservilaskennassa kvantti, tai esimerkiksi epäklassisessa tilassa oleva laservalo, on kuin tämä esimerkin vanukas, jonka tökkimisessä tapahtuvia muutoksia yritetään mitata ja ennustaa, Nokkala selittää.

Nokkala antaa vielä toisen esimerkin hiipuvan muistin ja kvanttireservilaskennan soveltamisesta käytäntöön.

– Pörssikurssien kehitys oletettavasti riippuu pörssin aikaisemmasta käyttäytymisestä, mutta viimeaikaisilla tapahtumilla on suurempi vaikutus kuin vanhoilla tapahtumilla. Jos käytössämme on riittävä määrä sopivaa dataa aikaisemmista pörssikursseista, voimme tilastollisin menetelmin löytää sellaisia signaalin muutoksia, joiden avulla voidaan ymmärtää kurssien kehitystä eri ajanjaksoina ja ennustaa tulevia pörssikursseja.

Parhaillaan Nokkalalla on käynnissä kvanttireservilaskentaan liittyvä Suomen Akatemian hanke, jossa tavoite on tuoda kvanttifysiikan kysymyksiä teoreettiselta tasolta käytännön kokeelliselle tasolle käyttäen kohteena laservaloa.

Nokkalan mukaan käytännön kokeissa tärkeintä on ymmärtää, miten herkästi kvanttisysteemit reagoivat ympäristön häiriöihin. Juuri se tekee niiden mittaamisesta niin vaikeaa, melkein mahdotonta.

Havainnollistetaan taas vanukkaan avulla.

– Jos mittaisimme vanukkaan hytkymistä videokuvaamisen avulla, niin liikettä mittaava kamera ei vaikuttaisi vanukkaaseen mitenkään. Mutta kvanttisysteemit ovat niin herkkiä, että itse mittaaminenkin on raju tapahtuma. Mittaaminen vähintään häiritsee systeemiä ja tulosta, tai pahimmillaan tuhoaa koko systeemin, jota yritimme saada toimimaan. Kuin vanukas, joka räjähtää siitä, että sitä kuvattiin, Nokkala selittää.

Teoreettiset mallit eivät huomioi näitä todellisessa ympäristössä tapahtuvia mittaamisen häiriöitä. Ja koska tutkimuksessa ollaan kiinnostuneita tilastollisista luvuista, näitä mittauksia pitäisi kvanttisysteemeille pystyä tekemään useita, mieluiten miljoonia, jotta niistä voidaan laskea haluttuja odotusarvoja.

– Teoreettiset mallit ovat kuin kohteen tarkastelua tyhjiössä, mikä ei toimi loputtomasti. Ennen pitkää kohde on tuotava todelliseen ympäristöön. Nyt yritämme saada aikaisempia teoreettisia laskelmia toimimaan käytännön kokeilla. Tutkin esimerkiksi laservalolla sitä, miten valon epäklassiset tilat voitaisiin valjastaa, Nokkala kertoo. 

Kvanttireservilaskennan tutkimusalalla tapahtuu parhaillaan merkittäviä edistysaskeleita. Kokeelliset olosuhteet entistä paremmin huomioonottavat lähestymistavat ja uudet mittausmenetelmät mahdollistavat myös klassisella datalla tehtävää tutkimusta, jota ei vielä muutama vuosi sitten oltaisi pystytty toteuttamaan. 

Nokkalan mielestä juuri nyt olisikin oleellista kysyä, mitä asioita ylipäätään on järkevää tuoda kvanttireservilaskennan piiriin.

– Paljon yritetään tuoda kvanttireservilaskennan ratkaistavaksi kysymyksiä, jotka ratkeaisivat helpoiten muilla menetelmillä. Mutta ei kannata käyttää kalliita huippumenetelmiä ratkomaan tehtäviä, joita klassiset menetelmät voivat ratkoa yhtä hyvin, se ei ole tehokasta resurssien käyttöä. Lyhyttä työmatkaa ei kannata kulkea lentokoneella, Nokkala vertaa.  

Mitä ne kannattavat kysymykset sitten voisivat olla, siihen ei taida olla selviä vastauksia vielä kenelläkään. 

Nokkalan suunnitelmissa on edistää uutta projektia, jossa tätä kysymystä olisi mahdollista kehitellä syvemmälle. 

– Tämä on vähän kuin rakentaisi siltaa kohti vastarantaa, jota ei edes näe, koska se on vielä sankan sumun peitossa. Yritän välttää liiallista ahneutta, mutta tavoitteeni on löytää edes jokin kapea kaistale, jolla voin tuoda tutkimukseen jonkin uuden näkökulman. Tehtävä on hankala, mutta joitakin ideoita tähän liittyen minulla jo on.

Vielä Nokkala ei kuitenkaan voi niistä tarkemmin kertoa, sillä ideat liittyvät käynnissä olevaan isoon rahoitushakuun.

Tutkija kolmannessa polvessa

Tutkijana Nokkalan inspiraation lähteet löytyvät läheltä, omista vanhemmista, vanhempien sisaruksista ja isovanhemmista. Perheestä ja suvusta löytyy monta ansioitunutta tutkijaa. 

Erityisenä esikuvana Nokkalalle on ollut kosmologin ja kvanttifyysikon uran tehnyt isoisä.

– Hänen toiveensa oli, että joku suvussa jatkaisi hänen jalanjäljissään ja ryhtyisi fyysikoksi. No, vastasin hänen toiveeseensa, minusta tuli se seuraava fyysikko. Toisaalta minulla ei ole niin sanottua käytännön järkeä ollenkaan, eli ei minulla ollut muita vaihtoehtojakaan, kuin lähteä teoreettiselle alalle, Nokkala naurahtaa.

Lopulta tärkeintä Nokkalalle on kuitenkin ollut oma uteliaisuus.

– Suurin syy, miksi tutkin näitä asioita, on se, että olen itse näistä asioista kiinnostunut. Haluan tietää vastauksen kysymyksiin, joita tutkin, ja teen tätä ennen kaikkea itselleni. 

Nokkala kokee olevansa onnekas sen vuoksi, että muutkin ovat samoista kysymyksistä kiinnostuneita ja pitävät tutkimusaiheita tärkeinä. 

– Eihän tällä muuten voisi elää, Nokkala sanoo.