Kunstmatige intelligentie leert sneller met quantumtechnologie
Een internationale samenwerking, waaronder Leidse natuurkundige en computerwetenschapper Vedran Dunjko, heeft aangetoond dat quantumtechnologie het leerproces van kunstmatige intelligentie (AI) kan versnellen. Om dit te bewijzen gebruikten de wetenschappers een quantumprocessor met afzonderlijke fotonen. Hun werk draagt bij aan de ontwikkeling van toekomstige toepassingen van quantum-AI, zoals het quantuminternet. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature.
De zoektocht naar slimmere computers
Computers die mensen verslaan bij het spelletje Go!, menselijke stemmen herkennen of helpen bij het vinden van de beste medische behandeling: het zijn maar een paar verbazingwekkende voorbeelden van de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van kunstmatige intelligentie (AI). De voortdurende zoektocht naar slimmere machines leidt tot de vraag hoe en met welke middelen we onze computers nog kunnen verbeteren: hoe kunnen we ze bijvoorbeeld sneller laten leren? Parallel hieraan bewijzen de enorme ontwikkelingen op het gebied van quantumfysica dat quantum niet alleen bestaat uit raadselachtige theorieën, maar ook toepassingen heeft in het echte leven. Deze twee vakgebieden kunnen elkaar heel goed versterken: enerzijds kunstmatige intelligentie met haar autonome computers; anderzijds quantumfysica met krachtige algoritmes.
En dat blijkt een prima combinatie: wetenschappers hebben eerder al fascinerende resultaten laten zien, zoals AI-systemen die sneller beslissen over hun volgende zet, of die helpen bij het ontwerpen van nieuwe quantumexperimenten. Toch lukte het bij deze experimenten niet om de computers sneller te laten leren: een essentiële voorwaarde om steeds betere autonome computers te ontwikkelen. Vedran van het applied Quantum algorithms (aQa) initiative aan de Leidse faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen legt uit: ‘in deze context betekent sneller leren “leren door minder interacties met leeromgeving”: zoals een kind dat minder tips van zijn leraar nodig heeft om iets te leren.’
Processor met lichtdeeltjes
Het team van natuurkundigen en computerwetenschappers van de Universiteit Leiden, de Universiteit van Innsbruck, de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, het Massachusetts Institute of Technology en het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum is er als eerste in geslaagd om de leertijd van een computer te versnellen. Het team gebruikte afzonderlijke fotonen, lichtdeeltjes, en koppelde ze om een fotonische quantumprocessor te maken. De computer diende als de kern van de computer en moest de leertaken uitvoeren. ‘Het experiment toonde aan dat quantumfysica de leertijd aanzienlijk verkort,’ zegt Valeria Saggio van de Universiteit van Wenen, eerste auteur van de publicatie. ‘We beginnen de mogelijkheden van quantum kunstmatige intelligentie nog maar net te begrijpen,' aldus de Oostenrijker Philip Walther, leider van het samenwerkingsverband.
In essentie kun je het experiment voor je zien als een computer die moet beslissen over een volgende zet, bijvoorbeeld als hij leert schaken tegen een virtuele tegenstander. De computer leert door een beloning te krijgen wanneer hij de juiste zet doet. Als dit gebeurt in onze klassieke wereld, zal hij één voor één verschillende zetten in verschillende potjes uitproberen, en slechts één zet wordt uiteindelijk als beste beloond. Wanneer de computer daarentegen gebruik maakt van quantumtechnologie, komen de bizarre aspecten van de quantumfysica in het spel. Het meest beroemde maar ook meest eigenaardige aspect is wel het principe van superpositie (zie kader). Dit is intuïtief te begrijpen door je voor te stellen dat de computer als het ware vele zetten tegelijk uitprobeert. Dit is dus veel efficiënter.
quantum internet
Vedran Dunjko leverde een grote bijdrage aan de theoretische onderbouwing van het experiment. ‘Dit soort quantummethoden zijn bijzonder geschikt als bouwstenen voor intelligente algoritmen in het quantuminternet van de toekomst,’ zegt hij. De eerste stappen van dit quantum-internet worden in Nederland gezet, met een grote rol voor Leiden en Delft. Dunjko: 'Met quantum-internet kunnen we quantuminformatie uitwisselen: superposities gebruiken om computers sneller en veiliger te laten communiceren. Dat gebeurt ook allemaal met lichtdeeltjes, net zoals in ons experiment.’
Wetenschappelijk artikel
Experimental quantum speed-up in reinforcement learning agents", V. Saggio, B. Asenbeck, A. Hamann, T. Strömberg, P. Schiansky, V. Dunjko, N. Friis, N. C. Harris, M. Hochberg, D. Englund, S. Wölk, H. J. Briegel, and P. Walther, Nature, 10 March 2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03242-7
Omslagafbeelding: Artistieke impressie van het quantum-leerconceptArtistic impression of the quantum learning concept. © Rolando Barry, Universiteit van Wenen.
Wat is een quantumcomputer?
Voor de klassieke computer is de kleinste informatie-eenheid de bit, die de waarde 0 of 1 heeft. Fysiek kan een bit een elektronisch schakelaartje zijn dat aan of uit staat. Elke moderne chip bevat er miljoenen. De quantumcomputer rekent echter met qubits, die – in een variabele mix – de waarde 0 én 1 hebben, volgens het fundamentele quantumprincipe van de superpositie. Een qubit is iets waar het gezond verstand niet bij kan; het is een product van de bijna magische quantumwereld en de kern van alle voordelen van de quantumcomputer.