Tietoverkkojen käyttäjämäärien kasvu tuo mukanaan ruuhkia, jotka näkyvät palveluiden käyttäjille viiveinä ja katkoksina. Samalla esimerkiksi 6G- verkkojen ja sovellusten monimutkaistuminen haastaa verkkojen ohjauksen ja hallinnan. Nyt VTT on käynnistänyt tutkimushankkeen, jossa apua haetaan kvanttilaskentaa hyödyntämällä.

Langattomien verkkojen ongelmana on tällä hetkellä ruuhkautuminen eli heikompi suorituskyky silloin, kun yhä useampi yrittää käyttää verkkoa samanaikaisesti esimerkiksi suurtapahtumien yhteydessä. 6G-aikakausi kasvattaa käyttäjien ja monimutkaisten sovellusten määrää entisestään, joten ongelma ei tulevaisuudessa ole helpottumassa. Esimerkiksi kysymyksiä, missä järjestyksessä eri käyttäjiä palvellaan ja mitä reittejä pitkin liikenne kannattaa siirtää, jotta kaikki saavat luvatun palvelunlaadun, voidaan yhdessä kutsua kombinatorisiksi ongelmiksi.

”Moni tuntee niin sanotun matkustavan kauppamiehen ongelman, joka liittyy siihen, missä järjestyksessä kauppiaan kannattaa käydä kaupunkeja läpi, jotta reitti olisi mahdollisimman lyhyt. Ongelman monimutkaisuus kasvaa eksponentiaalisesti, kun kaupunkeja lisätään. Samalla tavoin 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”, hanketta VTT:llä vetävä erikoistutkija Kari Seppänen sanoo.

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.

”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”, sanoo Nokia Bell Labsin vanhempi tutkija Karthik Upadhya.

VTT:n tutkimushankkeeseen osallistuu tietoliikenne-, krypto- ja kvanttiosaajia, ja projekti tuo kvanttialgoritmien suunnitteluun paljon uutta tietotaitoa.  Projektissa on VTT:n lisäksi mukana Nokian lisäksi muitakin suomalaisia yrityksiä, mukaan lukien Cumucore ja Unitary Zero Space.

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. Combinatorial Optimization with Hybrid Quantum-Classical Algorithms -niminen hanke käynnistyi heinäkuussa 2023 ja jatkuu kesäkuuhun 2025. Sen rahoitus tulee Business Finlandin Quantum Computing Campaign -ohjelmasta, jonka tavoitteena on rakentaa Suomeen liiketoiminnan haasteita kvanttilaskennan avulla ratkaiseva ekosysteemi.

Lisää: Cohqca-tutkimusprojekti (LINKKI) ja aiemmat 6G-aluetta käsitelleet artikkelit (LINKKI).

Kuvituskuva: Shutterstock