Kristian Wold finner kvantestøy-diagnosen

– For at kvantedatamaskiner skal komme til nytte, må de ha en viss fidelitet. De må være pålitelige og gjøre som vi forventer. Likevel skjer det flere feil, såkalt kvantestøy.

Det forteller PhD-kandidat Kristian Wold, som er på siste året av graden sin ved OsloMet. Det er nettopp denne støyen Wold forsker på.

– Ideelt er kvantekomputeren isolert fra omverdenen, og qubitene interagerer kun med hverandre når du vil. Problemet er at det lekker informasjon ut i omverdenen og mellom qubitene hele tiden. Det gjør at de beregningene som vi ønsker å gjøre på dem blir korrupte. Vi får ikke de svarene vi ønsker, forklarer han.

– Manipulerer naturen

– Fysikeren Richard Feynman sa at “for å skjønne noe, må du kunne bygge det”. Det jeg liker veldig godt med programmering er at det gir deg en følelse av at du bygger noe, forteller Wold.

Han tok en bachelorgrad i fysikk ved Universitetet i Oslo, der han også fikk øynene opp for programmering.

– Fysikk er en veldig fin, reduksjonistisk måte å prøve å forstå verden på. Å forstå de minste bestanddelene, og så bygge det videre opp. Jeg har alltid vært veldig glad i matematikk, og det går godt sammen med fysikken fordi disse fundamentene er veldig matematiske.

For å forstå naturen, må man forstå kvantefysikk. Kvantedatamaskiner handler derimot om å bruke naturen etter vår vilje, mener Wold.

– De siste tiårene har man gått fra å forsøke å forstå naturen til å forsøke å manipulere den, sier han.

– Diagnosen først

I dag undersøker Wold hvordan man kan modellere støyen og karakteristikkene ved den. Wold har blant annet bidratt til å utvikle metoden som kalles Quantum Process Tomography.

– Det betyr at vi ser på datamaskinen som en “black box” – vi vet ikke hva som foregår inni den. Ved å gi mange inputs og måle outputs, kan vi prøve å rekonstruere hva som skjer inni den. Da får vi et bilde av karakteristikken til støyen, og det viser seg at den er veldig kaotisk i en matematisk forstand.

Dette er et av hovedresultatene i tesen hans til nå. Det viser seg at støyen følger prediksjoner fra en matematisk verktøykasse som kalles Random Matrix Theory (RMT). Det kan kanskje si noe om hvordan støy kan bli mitigert i framtiden, mener Wold.

– Og da er spørsmålet: hva er kuren? Men vi fokuserer på diagnosen, for den kommer først. Kuren er et fremtidig mål.

Europeisk samarbeid

Store deler av forskningen gjør han sammen med DQUANT, et europeisk samarbeid om å forstå og modellere dagens kvantedatamaskiner med teori fra “åpne kvantesystemer”, altså kvantesystemer som er påvirket av miljøet rundt dem.

Deltakerne er lokalisert i Norge, Portugal, Tyskland, Polen og Slovenia, og Wold har særlig samarbeidet med kollegaer fra Portugal.

I mai har Wold planlagt en tur til Lisboa for å samarbeide på neste paper, der de viser til to funn.

For det første kan man bruke kvantedatamaskiner som et laboratorium for å skape spesielle kvanteeffekter man kjenner igjen fra teori. Dette kan for eksempel være kvantekaos, som betyr at systemet oppfører seg veldig irregulært, eller integrerbarhet, som betyr at systemet oppføre seg veldig forutsigbart og ordnet.

– Vi observerer at når kvantedatamaskinen kjører spesifikke algoritmer, eller kvantekretser, så kan det som skjer inni kvantedatamaskinen beskrives som en integrerbar prosess. Det er spennende, fordi det betyr at vi kan bruke kvantedatamaskiner som plattform for å få en dypere matematisk forståelse for disse og liknende fenomener.

For det andre observerer Wold at når man kjører en algoritme lenge nok, blir den resulterende dynamikken kaotisk uansett hvilken algoritme man bruker.

– Dette antyder at støyen som resulterer fra feilene i kvantedatamaskinen har en kaotisk natur, som igjen kan inspirere hvordan vi skal forstå støyen, og kanskje fjerne den.

Wold peker også på mange andre samarbeidsmuligheter i løpet av prosjektet.

– Vi jobber med eksperimental fysikk, ikke bare teori og numerikk. Det krever å faktisk ha tilgang på kvantedatamaskiner. Vi har ikke den vanvittig privilegerte adgangen til kvantedatamaskiner som de store labene har. Derfor har vi hatt mange samarbeid mye med blant annet Finland og Kina som har fungert godt.

– Blir nyttig ved hjelp av KI

Ved å ha funnet likhetene mellom RMT og ekte kvantestøy, håper Wold nå å inspirere til videre undersøkelser av kvantestøy.

– Vi har funnet ut at støy oppfører seg på karakteristiske måter som ikke var visst før, så kanskje det kan hjelpe oss med å forstå støyen bedre, og finne ut hvordan vi kan konstruere maskinvaren på en bedre måte. Da får vi kvantedatamaskiner med mindre støy, som forhåpentligvis er mer nyttige.

Også Google og Microsoft har forsket på kvantestøy, forteller Wold. Blant annet lanserte Google AlphaQubit, som skal gjøre “quantum error correction”. Det skal bidra til å minke kvantestøyen. Microsoft har også forsøkt å jobbe med topologiske qubits, som skal være veldig robuste mot støy, forklarer Wold.

Selv er han usikker på hva framtiden vil bringe, men han tror likevel at kvanteteknologi og kunstig intelligens er potensielle “game changers” som kommer til å ha stor innflytelse de neste årene.

– I retrospekt, fire år senere, må jeg innrømme at KI har beveget seg mye kjappere enn kvanteteknologi, så jeg tror at det vil bli definerende framover. Hvis kvanteteknologi blir nyttig, er det kanskje fordi vi finner ut hvordan vi kan nyttiggjøre den ved hjelp av KI.

Norges kvanteframtid

6. mai deltar Wold på seminaret “Norge og kvanteteknologi: hva skjer nå?” i samarbeid med Tekna. Seminaret skjer på OsloMet, med innspill fra Wold, Are Magnus Bruaset og Morten Hanshaugen.

Her vil Wold bidra med en praktisk demonstrasjon av kvantedatamaskiner og kvantecomputing, samt i en paneldiskusjon om Norges kvanteframtid.

Vebjørn Bakkestuens forskning kan forbedre materialteknologien

– Det er jo en av de beste måtene å prøve å forklare verden rundt oss. Kvantefysikk kan beskrive verden på mikroskopisk skala. Det er ganske fjernt, men også nødvendig.

Bakkestuen har alltid interessert seg for fysikk, men lot karrieren bli til mens han gikk. September 2023 ble han ansatt som PhD-stipendiat i anvendt matematikk ved OsloMet, etter en bachelor i fysikk og astronomi, og en master i teoretisk fysikk ved Universitetet i Oslo.

Her deltar han nå i REGAL-prosjektet (Regularized density-functional analysis), som undersøker Moreau-Yosida-regularisering i tetthetsfunksjonsteori (DFT) fram til høsten 2027. Prosjektet er støttet av Det europeiske forskningsrådet, og skal forbedre den matematiske forståelsen av teorien.

– Dette er den metoden som kanskje er mest brukt til å gjøre beregninger – veldig, veldig mange mennesker bruker den i både forskning og industri. Men det er ofte forskjell på hva teorien sier og hva man gjør i praksis. Målet er å forstå matematikken bedre, så man kan gjøre smartere valg ved beregninger.

Kan bidra til materialteknologi

Det blir stadig viktigere å modellere systemer på enkeltpartikkelnivå, forteller Bakkestuen. Her vil REGAL-prosjektet forhåpentligvis kunne bidra. Også materialteknologien kan forbedres ved effektivisering av metoden. Man snakker for eksempel ofte om hvordan man kan revolusjonere fornybar energi.

– Det er nok et stykke unna foreløpig, men kanskje man kommer så langt at man slipper å teste millioner eller milliarder av muligheter.

Og det er ikke bare Bakkestuen og resten av REGAL-teamet som bryr seg om DFT. Også Google har interessert seg for DFT, og forsøkt å bruke maskinlæring for å få bedre resultater, forteller Bakkestuen.

DFT med penn og papir

For tiden er Bakkestuen i startfasen på flere prosjekter, og bruker dagene på å lese litteratur. Nylig ferdigstilte han prosjektet Quantum-electrodynamical density-functional theory for the Dicke Hamiltonian i samarbeid med André Laestadius, Mihály A. Csirik og Markus Penz. Her analyserte de interaksjoner mellom lys og materie med et DFT-perspektiv.

– Dette er et eksempel på DFT hvor man faktisk kan gjøre mye med penn og papir, for det er stort sett aldri mulig.

REGAL bidrar også på festskriftet til kjemiker og professor ved Universitetet i Oslo, Trygve Helgaker. Skriftet er en spesialutgave med artikler skrevet om temaer Helgaker har jobbet med og bidratt til, i forbindelse med hans pensjonering.

Bidraget deres til festskriftet er artikkelen Quantum-Electrodynamical Density-Functional Theory Exemplified by the Quantum Rabi Model, som nylig ble publisert i The Journal of Physical Chemistry A. Dette er Bakkestuens første publiserte artikkel.

Vil presentere på WATOC

Nå ser Bakkestuen fram mot World Association of Theoretical and Computational Chemists (WATOC 2025) som arrangeres av Trygve Helgaker på Oslo Kongressenter 22 til 27. juni. Med et forventet oppmøte på 1000 mennesker, vil det være den største internasjonale samlingen av teoretiske kjemikere i 2025.

Her skal Bakkestuen søke om å presentere en poster med noen av sine forskningsfunn.

Teknologirådet besøker Kvantehuben

Denne uka fikk Kvantehuben besøk av Joakim Valevatn og Sjur Hamre fra Teknologirådet. For å orientere seg om nye teknologitrender som kan bli viktige for Norge, fikk de innspill fra instituttleder André Brodtkorb og OsloMet-professorene Sølve Selstø og Andre Laestadius.

Teknologirådet er oppnevnt av regjeringen og gir Stortinget og andre myndigheter begrunnede og nyskapende innspill innen teknologi. Denne uka fikk de bidrag fra OsloMets kvanteteam som kan tas med videre i arbeidet med å informere politikerne.

– Hvis Norge ikke følger med og kan nok om dette, er vi prisgitt alt som skjer i utlandet. Med dagens geopolitiske situasjon vil vi ikke ha en sjanse, sier André Brodtkorb.

Instituttleder André Brodtkorb delte innspill til regjeringens kvanteteknologi-satsing. Foto: Noa Cecilie Sæther

Storsatsing

I oktober 2024 lanserte regjeringen en satsing på 70 millioner kroner til forskning på kvanteteknologi.

– Nå rigger vi oss for et felles nasjonalt, og ikke minst nordisk, teknologisprang til det beste for samfunnet, sa digitaliserings- og forvaltningsminister Karianne Tung.

Kvantedatamaskiner har en mye raskere søkealgoritme enn vanlige datamaskiner, og kan for eksempel finne faktorer i store tall, som kan knekke store deler av dagens kryptering. Forvarsminister Bjørn Arild Gram poengterte derfor at samfunnet har behov for økt kompetanse innen kvanteteknologien.

– Vi er avhengige av å kunne kommunisere sikkert. Det er svært viktig å sørge for at sikkerhetssystemene våre og kryptologiske løsninger er trygge nå som kvanteteknologien slår gjennom for fullt, sa han.

(f.v.) Digitaliserings- og forvaltningsminister Karianne Tung, forsvarsminister Bjørn Arild Gram, forskings- og høyere utdanningsminister Oddmund Hoel og professor ved OsloMet, Sølve Selstø.

Forsker på bruk av Kvante-KI i kreftbehandling

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

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.