Forsker på bruk av Kvante-KI i kreftbehandling

Noa Cecilie Sæther on 3. December 2024

Siden 2022 har stipendiat ved OsloMet, Heine Olsson Aabø, undersøkt hvorvidt kvantedatamaskiner kan være nyttige innen helseteknologien, mer spesifikt for å finne optimale behandlinger til en kreftpasient.

Ved behandling av kreftpasienter finnes det mange kombinatoriske muligheter gitt et utvalg av tilgjengelige medisiner. Derfor undersøker han om kvantedatamaskiner kan finne optimale kombinasjoner på en mer effektiv måte enn klassiske datamaskiner.

Trener opp en maskinlæringsmodell

Prosjektet har fire veiledere: UiO-researcher Alvaro Köhn-Luque, OsloMet-professorene Sergiy Denysov og Pedro Lind, og førsteamanuensis ved OsloMet, Hårek Haugerud.

Köhn-Luque lager matematiske modeller av kreft, i dette tilfellet en modell for hvordan en enkelt medisin påvirker veksten av kreftceller i en pasient med beinmargskreft. Aabø har videreutviklet denne modellen for å undersøke hva som skjer når man har mer enn én medisin tilgjengelig som kan brukes i sekvens.

Nå jobber Aabø med å trene opp en maskinlæringsmodell til å behandle de virtuelle pasientene, gjennom det som kalles reinforcement learning (forsterkende læring).

Det er en gren av kunstig intelligens der maskiner finner løsningen på et problem ved å definere den ideelle løsningen innenfor en bestemt kontekst. Deretter lærer maskinen gjennom å få belønning eller straff, som i dette tilfellet er basert på lengden av behandlingen før pasienten enten er kurert eller ikke lenger kan behandles.

Leger er kritiske

Per nå benytter man en prøve-og-feile-metode i kreftbehandling. Da tester man medisiner på pasienten, eller tester et utvalg av medisiner på vevprøver. Det kan ta mye tid.

– For en onkolog er det ikke rett frem hva som er best. Man trenger å gjøre gode valg fort. Da kan dette kanskje brukes som et verktøy, forklarer Aabø.

Likevel har Aabø inntrykk av at mange leger er kritiske til bruk av slike matematiske modeller for å behandle mennesker.

Det er fordi medisiner resulterer i bivirkninger for pasienten, som kan utvikle seg forskjellig på ulike mennesker. Det gjør det også vanskeligere å lage en felles modell, som klarer å fange all nødvendig informasjon.

Aabø forsøker å utvikle en modell som kan benyttes i helseteknologien. Foto: Hush Naidoo Jade Photography (Unsplash).

Kan lette behovet for energi

Aabø peker på flere viktige grunner til forskningen.

På grunn av støy i dagens kvantedatamaskiner, er de ikke gode nok til å kjøre algoritmene som man vet at er nyttige. Derfor ønsker man å finne andre algoritmer som er bedre egnet til dagens maskiner.

I tillegg vil kunstig intelligens i mange tilfeller kreve store mengder energi, fordi det krever mange beregninger. Kvantedatamaskiner er forventet å være mer effektive innen kunstig intelligens, som potensielt kan lette behovet for store datasentre og energien de bruker.

Ikke nødvendigvis bedre

Likevel har man man ofte funnet løsninger på kvantedatamaskiner som ikke er en eksponentiell forbedring fra den klassiske datamaskinen.

– Antallet beregninger som trengs for å løse spesielt vanskelige problemer skalerer ofte eksponentielt med problemstørrelsen, så her ønsker man å finne løsninger på kvantedatamaskiner som har en bedre skalering, forklarer han.

For at det skal ha verdi å benytte kvantedatamaskiner, bør tiden utregningen tar være betydelig mindre enn på en klassisk datamaskin.

Aabø påpeker at det er vanskelig å sammenligne kvantealgoritmer med klassiske motparter.

– En ambisjon med prosjektet mitt har derfor vært å undersøke hvordan man kan sammenligne dem, sier han.

Kvante-KI er et annet ord for kvantemaskinlæring. Foto: Google Deepmind (Unsplash)

Mye å utforske

Aabø mener at det er store muligheter i Norge for å utvikle ny teknologi, og interesserte seg for dette forskningsfeltet fordi det fremdeles er mye å utforske.

Han studerte fysikk og skrev en master om hvordan kvantedatamaskiner kan brukes til å beregne bølgefunksjonen til små molekyler og atomer. All informasjon om systemet finnes inni denne bølgefunksjonen.

– Og det syntes jeg var veldig gøy, så jeg hadde lyst til å fortsette med det, forteller han.

Nå skal han fortsette å jobbe med forskningsprosjektet til 2026.

Kvanteverden-kurs snur opp ned på universet

Noa Cecilie Sæther on 3. December 2024

Kurset Introduksjon til kvanteverda for nyfikne gikk av stabelen denne høsten. Professor Sølve Selstø og studentene håper at flere får øynene opp for kvantefysikken.

Selv om emnet, som er et kurs med studiepoeng, kan være spesielt interessant for de som jobber med informasjonsteknologi, passer det for alle voksne.

Med kurset ønsker Selstø å vise hvorfor fagfeltet er av allmenn interesse.

– Denne teorien forklarer oss hvordan materiens minste byggesteiner er satt sammen. Mye av det vi opplever til daglig har en forklaring som legger kvantefysikk til grunn, i tillegg blir en rekke kvantefenomener utnyttet teknologisk. Det har man gjort i mange hundre år, men nå ser vi konturene av det som kalles den andre kvanterevolusjonen, forteller Selstø.

Den andre kvanterevolusjonen innebærer en ny form for kvantedatabehandling, som tillater algoritmer som ikke kan kjøres på vanlige datamaskiner. Da kan vi finne mer effektive løsninger på spesifikke problemer.

– En annen grunn til at det er verdt å bli kjent med kvanteverdenen er at den er både vakker og rar. Vi blir utfordret i møte med den, fortsetter Selstø.

– Morsomste timene i uka

Martin Hovdøn (56) har bakgrunn som statsautorisert revisor og økonomidirektør, men nå er han fornøyd med å være tilbake på skolebenken i noen timer hver uke.

– Det er veldig, veldig gøy. Det er de morsomste timene i hele uka. Jeg digger å komme hit og være student, forteller han.

Hovdøn fikk høre om kurset ved en tilfeldighet.

– En jeg spiste lunsj med spurte meg om jeg visste hva kvantefysikk var, og det gjorde jeg ikke. Han forklarte at det kan gi veldig stor datakraft, og hvis man klarer å kontrollere den så kan man få “superdatamaskiner”, forteller han.

Det var podkasten Kvantespranget, med Selstø som gjest, som til slutt inspirerte han til å søke. På podkasten lovet Selstø at kurset skulle være lavterskel, noe Hovdøn er enig i at det er.

– Selv én som meg, som har hatt veldig lite matematikk og ikke noe fysikk i det hele tatt, får noe ut av det. Jeg tror det kan være relevant i jobben min også.

Martin Hovdøn jobber med bærekraft, og mener at det kan være nyttig å lære om kvantefysikk.

Vil inspirere unge

Gunn Heidi Freitag (49) har alltid hatt en interesse for naturfag, men avskrev i utgangspunktet fysikk fordi det var kjedelig og ikke åpnet for å utforske og tenke kreativt.

– Så feil kan man ta. Nevøen min begynte å studere fysikk, og jo mer han fortalte om kvantefysikken, jo mer skjønte jeg hvor lite jeg forstod om verden. Så når jeg fant dette kurset, måtte jeg bare kaste meg på. Og det har jeg ikke angret på, forteller hun.

Nå håper hun å kunne bidra med mer kunnskap til samtalene, og gi noe tilbake til nevøen.

– Og hvis jeg ikke går inn på noe naturfaglig, har jeg lyst til å jobbe med barn og unge. Så kanskje jeg kan bidra til å inspirere ungdommen til å tenke naturfaglig, forteller hun.

Freitag setter spesielt pris på læringsmiljøet i klasserommet.

– Sølve er engasjert og forklarer ut fra våre forutsetninger. Han får veldig mye spørsmål, men vi får aldri følelsen av at vi stiller dumme spørsmål.

Gunn Heidi Freitag synes at kvinner burde ta mer plass i fysikken.

– Andre regler

Freitag og Hovdøn er begge fascinert av kvantefysikken, og håper at flere tar del i kvanteverdenen.

– Disse teoriene snur fullstendig opp ned på min forståelse av universet. Og den undringen ønsker jeg at flere unge skal få oppleve, sier hun.

Hovdøn synes også at det er viktig at flere forstår potensialet i kvantefysikken. Selv om det forskes mye på temaet, forskes det ikke så mye i Norge.

– Kvantefysikken opererer med helt andre regler enn vi gjør i den observerbare, fysiske verden, og det er veldig fascinerende. Det har så stor betydning allerede i dag, sier han.

Introduksjon til kvanteverda for nyfikne

Gjøre greie for hovedtrekkene i den historiske utviklingen av kvantefysikken.

Ha en viss forståelse for at materie må oppfattes som både bølger og partikler.

Kjenne til fenomener som er spesifikke for kvanteverdenen, som ikke har noen paralleller i den verdenen vi ser til daglig.

Vite hvordan visse enkle algoritmer for kvanteinformasjonsbehandling fungerer.

Kunne vise til eksempler på hvordan kvantefenomener som tunnellering, kvantisering og sammenfiltring kan utnyttes teknologisk.

Kjenne til hovedforskjellene mellom hvordan en vanlig, klassisk datamaskin og en kvantedatamaskin fungerer.

Være i stand til å sette opp og kjøre enkle kvanteprogrammer, enten på simulator eller på faktiske kvantedatamaskiner.

Til en viss grad kunne bruke begrepsapparatet knyttet til kvantefysikk og -teknologi.

Kunne medvirke konstruktivt i faglige samtaler som har med kvanteteknologi å gjøre.

Evne å diskutere og problematisere aspekter ved tolkningen av kvantefysikken.