Puhe Itä-Suomen yliopiston luentosalissa juhlaseminaarissa. Juhlan aiheena oli fotoniikkatutkimuksen 55 vuotta kestänyt taival Joensuussa. Tämä puhe käsittelee fotoniikan mahdollisuuksia maailman visaisten ongelmien ratkaisuun.
Tie utopiaan kulkee fotoniikan kautta!
Joensuu, UEF, 27.5.2025 Risto Linturi
Arvoisat juhlaseminaarin osallistujat,
koulu opetti, ettei otsikkoon viitata. En uskonut. Ja muinaisista roomalaisistakin toisinaan aloitan puheet. En tätä. Tiede on sellaisia varten, jotka eivät usko kaikkea mitä heille opetetaan. Lukion ajan sänkyni päädyssä huoneentaulussa Maxwellin aaltoyhtälöt muistuttivat rakkaudesta tieteeseen - radioamatöörille mukavalla tavalla. Mielessä oli halu parantaa maailmaa.
”Tie utopiaan kulkee fotoniikan kautta!” Tulevaisuudentutkija toki muistaa, ettei utopiaan johda tietä. Lomitettu fotoni ei toisaalta reiteistä välitä ja herääkin kysymys, onko etäisyyttä tai paikkaa oikeasti olemassa. Siitä Maxwell ei mitään sanonut, ja fotoniikka taitaa kunnolla vasta alkaa siitä, mihin Maxwell päätyi. Utopia muuten on kreikan kielen kaksimielisyys, ou topos ja eu topos, paikka, jota ei ole tai hyvä paikka. Katsotaan, kumpaanko näistä fotoniikka meidät lopulta sitten vie.
Yleisen käsityksen mukaan kuluneet 55 vuotta, omista teinivuosistani tähän päivään, ovat olleet elektroniikan voittokulkua. Fotoniikan merkityksestä on puhuttu vähemmän. Osittain tämä on näköharha. Fotoniikka sotkeentuu puheissa ja uutisissa osaksi elektroniikkaa. Tietoliikenteessä ja mikropiirien valmistuksessa fotoniikan asema on määräävä ja tärkeä monessa muussakin, kuten olemme kuulleet.
Kehitys kiihtyy. Kuka muistaa enää Shannonin. Kännyköiden yleistyessä 90-luvulla, häneen vedoten väitettiin, ettei langattomasti voinut millään taajuusalueella siirtää kuin hyvin rajallisen määrän dataa. Nyt puolijohdelasereiden, antennikampojen, ja monen muun tekniikan avulla taajuusalueet on jaettu pieniin kanaviin, joilla jokaisella erikseen on Shannonin maksimi käytettävissään.
Kiehtovin keino on OAM, Orbital Angular Momentum. Siinä fotonit pyörivät kulkusuuntaansa ruuvimaisesti kiertäen. Lähettäjä säätää kuhunkin kanavaan oman kiertymiskulman. Vastaanottaja erottelee kierteet ja jokaisessa on Shannonin laskema määrä informaatiota.
Fotonit päihittävät elektronit monessa. Kvanttilaskimissa fotonit toimivat huoneenlämmössä. Fotonit ovat nopeita ja energiapihejä. Niiden manipulointi, se fotoniikka siis, on paljon elektroniikkaa vaikeampaa. Siksi elektronit taipuivat ihmisen tahtoon fotoneja aiemmin. Saveakin opittiin muotoilemaan ennen terästä.
Saamme kyllä näkymättömyysviitan. Saamme läpinäkyviä lujia materiaaleja, puukin muovautuu ikkunoiksi. Laser kaivertaa teräkseen kuvioita nanomittaan ja pinta leimahtaa loistaviin rakenteisiin väreihin ilman mitään pigmenttiä. Laskennallisella kuvantamisella näemme nurkan taakse ja satelliitti paljastaa puiden lehtien väristä, mitä mineraaleja maaperässä on. Antennit saadaan ilman mastoja, koptereilla korkeuksiin, teho ja data syötetään maasta laserilla.
Mennään rauhallisemmin asiaan. Nyt emme elä missään utopiassa. Se lienee ilmeistä. Utopiasta ei kannata puhua, ellemme saa luontokatoa pysäytettyä, sairauksia, nälkää ja köyhyyttä voitettua, vanhuksia hoidettua, sotia lopetettua, ilmastonmuutosta peruutettua ja taattua jokaiselle osaamista ja viihdettä, valoa ja iloa yllin kyllin. Kaamos masentaa. Katsotaan, mihin ratkaisuihin fotoniikka yltää.
Ilmastokriisi ensin. Hiilen poltto ei lopu köyhissä maissa, ellei hiiletön energia muutu hiiltä halvemmaksi. Tiedettä saa kiittää. Aurinkopaneelien hyötysuhde paranee ja aurinkosähkön hinta laskee jatkuvasti. Perovskiittipintaiset piikennot saavuttivat juuri 36% hyötysuhteen. Rectenna -tekniikalla, eli valoantenneilla voi teoriassa saavuttaa 80% hyötysuhteen. Tutkimus on kesken, antennit eivät vielä yllä valon taajuuteen, massavalmistus on haaste ja tarpeeksi nopeita diodejakin vasta etsitään. Tekniikka toimii jo matalammilla infrapunan taajuuksilla, esimerkiksi hukkalämmön kerääjinä.
Aurinkoenergia on jo kilpailukykyistä. Kun hyötysuhde vielä kaksinkertaistuu, puoliintuu aurinkosähkön hinta jälleen, vaikka mikään muu ei muuttuisi. Ohutkalvotekniikassa oppimiskäyrällä on tilaa aurinkosähkön jopa kertaluokan pudotukselle ja kaikki pinnat saadaan tuottamaan sähköä, autotkin. Pian hiilivoimalat kannattaa purkaa köyhilläkin alueilla, vaikka ilmastosta ei piittaisi.
Avaruuteen suunnitellaan laitoksia, joista aurinkosähköä saa yölläkin. Maahan sähkö siirtyy mikroaaltoina. Jos hyötysuhteet vielä paranevat, tämäkin muuttuu taloudellisesti kannattavaksi. Keinotekoiset lehdet tuottavat vedestä ja ilmasta sekä auringonvalosta polttonesteitä, kuten metanolia. Tämä auttaa energian varastoinnissa. Katolle voisi sijoittaa myös altaan, joka muuttaa veden ja ilman hiilidioksidin etanoliksi. Rännin alle sitten tippapullo. Yhden tyyppinen utopia sekin.
Fuusioenergian luvattiin aina olevan 50 vuoden kehitystyön päässä. Lasereiden tehon kasvaessa, monet sijoittajavetoiset hankkeet lupaavat ensimmäisiä toimivia laitoksia 2030-luvun puoliväliin. Energia muuttuu halvaksi eikä siihen tarvita fossiilisia polttoaineita. Seuraavaksi ratkaistaan nälkä ja luontokato. Aloitetaan myrkyistä.
Konenäön ja multispektrikameroiden avulla robotit tunnistavat tuhohyönteiset ja rikkaruohot. Ne tuhotaan laserilla. Samalla tekniikalla kyetään tietysti tappamaan malariasääsket ja punkit. Pellot toki voi vapauttaa kokonaan luonnontilaan. Käytetään kasveille optimaalisia punaisia ledejä, 680 nanometrin fotoneja, siis. Kohdistetaan valo kasvin pintaan. Saavutetaan 20% hyötysuhde koko kasville. Jyvien osuus viljassa on noin 60%. Parhaan ledin hyötysuhde huomioon ottaen – 10% sähköstä voisi muuttua viljaksi. Solar Foods ylittää fermentoinnilla 10% hyötysuhteeseen proteiinituotannossa.
Näillä luvuilla – pelkästään Italian maatalousmaan kattaminen 40% aurinkopaneeleilla ja sen sähkön käyttö kerrosviljelyyn ja fermentointiin riittäisi ravinnon tuottamiseen 8 miljardille ihmiselle. Samaan tietysti riittäisi yksi prosentti Saharan pinta-alasta. Kaikki maapallon peltoala voidaan vapauttaa luonnontilaan. Nyt ratkaisimme sekä nälkäongelman että lajikadon. Tätä odotellessa voi merialueille perustaa fotoneja leväksi muuttavia ja kaloille syöttäviä fotobioreaktoreita. Ollaan jo kannattavan rajoilla.
Monille utopia on tavarapaljous; kaivoksia tarvitaan. Hyperspektrikamera tunnistaa kasveista maaperän mineraalit, kairasydämet skannataan, malminetsijä käyttää spektrometriä, murske erotellaan optisesti, rikastusprosessia mitataan ja laser-porausta kehitetään. Kierrätetty materiaali erotellaan myös fotoniikan avulla.
Omaan utopiaani kaivokset eivät mahdu. Asteroideista tunnistetaan ne, joissa on harvinaisia maametalleja ja platinaryhmän metalleja. Fotonien avulla jo tunnistettiin kymmenien valovuosien päässä olevien planeettojen koostumus. Asteroidit ovat tuossa vieressä, ja robottien mainattavissa. Paras yksittäinen löydös lähiavaruudessa on1986 DA. Kolmen kilometrin möykystä uskotaan löytyvän monia arvometalleja maapallon tunnetun varannon verran. Arvo olisi nykyhinnoin 12 tuhatta miljardia dollaria, kymmenesosa maailman pörssiyhtiöiden arvosta. Tätä etäämmällä on miljoona kertaa suurempi metalliaarre, 16 Psyche. Raaka-aineet eivät lopu. Siirrytään tavaroiden valmistukseen.
Tavarat leikataan ja kuvioidaan laserin avulla. Tekniikat ovat kehittyneet valtavasti. Nyt osataan maalata kokonaisia pintoja laser-matriisin avulla. Mainitsin jo, miten teräspinnan nanouurteet heijastavat halutun aallonpituuden. Rakenteiset värit ovat loistavia.
3D-tulostimissa valo kovettaa tai sintraa halutun muodon. Laser-tulostettu teräs ylittää takomalla saadun lujuuden ja laserin työstämät korut voittavat Fabergen unelmatkin tarkkuudessaan. Pian humanoidirobotit tarttuvat työkaluihin, mittaavat ihmisen ja ympäristön, tekevät käsityönä tyköistuvia luomuksia, korjaavat rikkoontuneet rakenteet. Useimmat tavarat tehdään tulevaisuuden aurinkosähköllä, ilmasta kerätystä hiilestä, typestä ja vedestä.
Miljoonat autot täyttävät nyt kadut ja pihat. Konenäkö automatisoi ajamisen. Lidar, kuituoptinen inertia ja GPS auttavat paikantamisessa. 90% autoista poistuu, kun siirrymme robottitakseihin. 100 miljardin verran pääomia vapautuu yksin Suomessa. Vuosisäästö on 10 miljardin verran. Liikumme kuin ruhtinaat. Parkkipaikat palautuvat lasten leikkikentiksi ja kadunvarret robottiläheteille.
Joidenkin utopiaan ikioma, omin käsin ajettu auto edelleen kuuluu. Fotoniikka lupaa laservalot, jotka tunnistavat sadepisarat ja ampuvat säteensä niiden ohi. Aktiivijousitus ennakoi kuopat ja metsätiekin muuttuu tasaiseksi. Auton pinnan väri on säteilevä ja vaihtuva. Tuulilasi on läpinäkyvää alonia, eikä näköesteinä olevia palkkeja tarvita. Sisätilat muuttuvat tarvittaessa 360 asteen teatteriksi.
Sairaudet sen sijaan eivät kuulu kenenkään utopiaan. Deep Research -tekoälyn listasi minulle fotoniikan terveyden läpimurrot viideltä viime vuodelta. Tekoäly muodosti hakustrategian ja luki kaksisataa tuoretta tutkimuslähdettä ja raporttia, joista se kelpuutti nelisenkymmentä lähteiksi. Tiivis yhteenveto oli kymmensivuinen. Noukin nyt vain muutaman havainnon. Aloitetaan diagnostiikasta.
Yhä useampi tutkimus onnistuu optisesti biosensoreilla, fotonisilla siruilla ja kuvantamalla. Sensorit ovat iholla tai vaatteissa. Niillä mitataan monia tauteihin liittyviä elintoimintoja samanaikaisesti. Omaa kehoa seurataan terveysrannekkeiden ja sormusten avulla. Tarramaisiin sensoreihin saadaan jo myös energiaa kerättyä ja antenni tiedonsiirtoon. Fotoniklinikka ranteessa on yhä laajempi. Lienee ajan kysymys, milloin lääkäritkin oppivat tätä kerättyä tietoa käyttämään.
Infektiotautien hidas viljely jää sivuun. Fotonit paljastavat näytteestä nopeasti vähäisetkin määrät viruksia tai bakteereja. Syöpäkirurgi näkee leikatessaan jäljellä olevan syöpäkudoksen. Nieltävät tai verisuonistossa kulkevat nanokoneet vievät sensorit kehon sisään. Niitä seurataan, ohjataan ja aktivoidaan säteiden avulla.
Fotodynaaminen hoito yleistyy. Varjoainekuvauksen tapaan, herkkä yhdiste, kerääntyy syöpäkudokseen. Fotoneilla aktivoitu aine tappaa solut tai herättää immuunivasteen. Tarvittaessa syvälle yltävää vaikutusta, käytetään infrapunasädettä ja sille herkkää mekanismia.
Fototerminen terapia käyttää kultananopartikkeleita. Niitä viedään kohteeseen, jossa NIR-laser kuumentaa ne ja tuhoaa kohteen. Laserilla hoidetaan myös rytmihäiriöitä, silmänpohjan rappeumia, ikänäköä, aivorappeumia, hengitysteiden ahtaumia ja ulkonäköä.
Virtauskemiaa ja fotokemiaa yhdistämällä saadaan jatkuvatoimisia fotoreaktoreita. Valokemia on sekä tehokasta että mahdollistaa uudentyyppisten lääkeaineiden tuotannon. Valoa käytetään myös GMO-viljelmissä, joissa solut tuottavat proteiinilääkkeitä. Tavoitteena on paikallinen lääkevalmistus konttikokoisissa, jopa salkkukokoisissa lääketehtaissa kriisialueella tai sairaalassa.
Näkövammaisille konenäkö on usein pelastava enkeli. Tekoäly selostaa silmälasikameran kuvaa. Millä suunnalla on kahvikuppi, onko kakussa allergeeneja, missä sokeriastia, missä vapaa istumapaikka ja päivänsankari. Onko reitti vapaa. Keinosilmiäkin jo kokeillaan.
Tuore suomalainen Pixieray sai kymmenien miljoonien rahoituksen silmälaseille, jotka säätyvät katseen ja kohteen etäisyyden mukaan. Pimeänäkölaitteet muistuttavat jo aurinkolaseja ja kuulolaitteet ovat nekin muuttuneet kummallisiksi. Lidar Doppler Vibrometrillä -LDVllä salakuunnellaan puhetta esimerkiksi sadan metrin päästä, vaikka puhujat olisivat suljetussa äänieristetyssä huoneessa, jos ikkunan läpi näkee jonkin huoneessa olevan taulun, kasvin tai paperin värähtelyn. Vastaavalla laitteella voi tietysti mitata teollisuushallin kaikki laakerit.
Salaisuudet ovat tyrannian alku. Oma utopiani on maailma ilman salaisuuksia ja siihen tämä tietysti johtaa. Salaisuudethan ovat vaarallisia vain, jos jollakin on valtaa käyttää niitä väärin. Mutta maailma ilman sotia – auttaisiko fotoniikka? Sädeaseet ainakin jo toimivat. Omat sotilaat tunnistetaan biometriikalla. Hyökkääjän sotilaat sokeutetaan laserilla ja elektroniikan EMP-kanuunalla. Saattaa olla, että sodat teknistyessään muuttuvat mahdottomiksi.
Satelliittiin ei Maahan ulottuvia, tuhoavia sädeaseita saa – keila leviää eikä jäähdytys onnistu. Kuljetuskone ei tehoa jaksa lentäessään tuottaa, elleivät mikroydinvoimalat kevene kymmenesosaan. Avaruusmahdin maailmanherruus; sotien loppuminen sen kautta ei näy toteutuvan. Heinleinin kuvailema vanha keino – kivien heittäminen Kuusta raidetykillä lienee edelleen parempi kuin pussillinen uusia. Etsitään rauhaa tiellä kohti utopiaa, mutta muutetaan suuntaa. Samalla siirrytään osittain epäortodoksiin fotoniikan käsitteeseen.
Fotoniikka kattaa teknologiat, jotka liittyvät fotonien tuottamiseen, havaitsemiseen, manipulointiin ja hyödyntämiseen UV-alueesta THz-tasoon, siis kun fotonin hiukkasluonteella on merkitystä. Minusta tämä raja on liian ahdas. Fotoniikka saisi myös olla oppi siitä, miten fotonit käyttäytyvät. Siis sen opin soveltamista samalla tavalla, kun arkkitehtuuria eivät ole pelkästään valmiit rakennukset, vaan myös esimerkiksi Eliel Saarisen toteutumattomat suunnitelmat.
Oppi siitä, miten fotonit käyttäytyvät heijastuessaan ja taittuessaan eri materiaaleissa on olennaisin sisältö Ray-tracing ja Path-tracing -sovelluksissa, esimerkiksi kehittyvissä metaverse-standardeissa. NVidian Omniverse toistaa realistisesti valon leikin materiaalien pinnoilla – sametti näyttää sametilta, lahopuu, nahka, oljyläiskä, sadepisara, kromipinta tai peili näyttävät itseltään. Suunnittelijan näkökulmasta puhutaan digitaalisista kaksosista, ja optiikasta vähintäänkin tuossa on kyse, vaikka valo onkin kuvitteellista.
Näitä virtuaalisia todellisuuksia katsellaan XR-lasien avulla. Ne kuuluvat fotoniikkaan kapeimmassakin silmikossa. XR-laseja lienee myyty kolmisenkymmentä miljoonaa. Tekniikka integroituu silmälaseihin, tuulilaseihin, ja robotit varmaan projisoivat hologrammeja lisätyksi todellisuudeksi. Kaikesta syntyy reaaliajassa digitaalinen kaksonen. Voimme saapua mihin tahansa virtuaalisesti ja nähdä sinne sekä fyysisesti että virtuaalisesti saapuneet.
Mitään nappuloita ei tarvita, kun kaikki toimii virtuaalisilla kosketuksilla. Mutta ei tarvita valoja, tauluja eikä maalia, kun AR-lasit hoitavat kaiken keväisen kauniiksi, vaatettavat tai riisuvat fyysiset ja virtuaaliset ihmiset halujemme näköisiksi. Aurinko paistaa aina.
Jos rakas ihminen kuolee, utopia särkyy. Mieli ei kestä, ja osa näkee harhoja. Vainaja on edelleen läsnä ja keskustelee heidän kanssaan. AR-lasien ja tekoälyn avulla mielikuvituskaverimme – Lassille se on Leevi, mikä se kellekin on, voi kulkea vierellä kuoleman jälkeenkin. Tekoäly matkii ihmisiä jo hyvin. Pelimaailmassa puhutaan termillä NPC. Juttelin taannoin Sokrateen kanssa ja Hippokrateen, Ptolemaioksen ja Perikleen kanssa. Kyse oli Assassins Quest Odyssey -pelistä. Opettelin salamurhaajaksi ja pärjäsin aika hyvin.
Olemme lähellä utopiaa, jossa digitaaliset kaksoset eivät kuole. tekoäly imitoi kenen tahansa elämää henkien virtuaalitaivaassa ja tekee sen uskottavasti, jos tämän elämästä on riittävästi tallenteita. Loppuuko laskentateho? Aikakristallit tai siis aikakiteet ehkä auttavat. Fotonisten aikakiteiden ja kvanttifotoniikan yhdistelmä lupaa kertaluokkia nykyistä tehokkaampaa simulointia.
Jos kytkemme aivomme VR-maailmaan, voimme elää antiikin ruhtinaina tai sitten digitaalisena kaksosena ihan tässä Joensuun arjessa ja juhlassa. Kaikki näyttää oikealta. Raihnaisuuden uhatessa luovutamme ja tajuntamme siirtyy tekoälyn kopioitavaksi. Tekoälyämme sitten kantaa näköisemme botti – siis, kuten minä tässä hologrammina teille puhumassa tai salamurhaajana VR-maailmassa.
Mistä kukaan noiden virtuaalitodellisuudessa toimivien hahmojen seassa tietää, kuka on oikea ihminen, kuka on jo edesmennyt ja kuka ei koskaan ole elänytkään. Unreal Engineen on toteutettu Matrix City, johon Convai-nimisellä ohjelmalla siirrettiin satoja tekoälyn ohjaamia ihmishahmoja toimimaan askareissaan.
Pelaajan tehtävänä oli pyrkiä keskusteluun näiden kanssa ja yrittää vakuuttaa heidät siitä, etteivät he ole oikeita ihmisiä vaan tekoälyn ohjaamia hahmoja. Se oli hilpeää. Sotaahan ei tällainen täysin virtuaalinen todellisuus tunne. Pyörrettä ei voi työntää. Pääsimme siis viimein sodista eroon, kun tässä utopiassa ei ole kiistaa resursseista.
Se on kuin some – jos olemme siellä kokonaan, fyysisen todellisuuden jättäneenä, emmekä pidä jostakin, voimme bännätä tämän. Ajatelkaa – maailma, josta voi poistaa rumat rakennukset ja klikata Trump ja Putin pois pelistä. Oma utopiamme jatkuu sitten ilman heitä.
Kvanttimaailman teorioista tuttu multiverse, monimaailma toteutuu – jokaisella tarkkailijalla on sellainen maailma, jonka hän itselleen valitsee. Solipsismikin toteutuu filosofit eivät ihmetelleet turhaan, mistä tietää, onko muita olemassa. Eikä superposition romahdusta tapahdu, Schrödingerin kissa sekä elää että on kuollut.
Kun olemme kokonaan siirtyneet tuohon utopiaan, voimme myös unohtaa – poistaa muististamme kaiken, minkä haluamme unohtaa. Tuonne pilveen siis olemme menossa, utopiaan – paikkaan, jota ei ole.
Onnea kaikille juhlijoille. Mikään ei ole niin tärkeää kuin fotoniikka!