Inde i laboratoriet, der forbinder hjerner med kvantecomputere

I et værelse på Det Forenede Kongeriges University of Plymouth, en Ph.D. eleven sidder ved en computer med lukkede øjne, som om han mediterer. På hans hoved er, hvad der ligner en sort badehætte, men er faktisk en elektroencefalogram (EEG)-læser, der fornemmer den elektriske aktivitet, der passerer over hans hovedbund. Foran ham, på skærmen, er der et billede af en wireframe-klode med to punkter markeret "1" og "0". I midten af ​​kloden, som et ur med en enkelt viser, er en pil, der svinger mellem de to point. Mens eleven ændrer sit udtryk fra et udtryk af afslapning til et udtryk med storøjet agitation, rykker og bevæger pilen sig. Hvert sekund indtaster han et nyt ciffer.

Det ser måske ikke ud af meget (og lige nu er det stadig meget tidlige dage for dette arbejde), men det er ikke desto mindre fascinerende ting. Efterhånden som eleven ændrer sine hjernemønstre fra rolige til energiske og tilbage igen, producerer han alfa- og betabølger, der så bruges til at manipulere simulerede qubits - den elementære enhed i kvanteberegning, der afspejler matematikken i kvantefysikken - ved hjælp af intet andet end kraften af tanke.

"Hvis du træner dig selv i at producere disse to slags bølger, så kan du sende en slags morsekode til computeren." professor Eduardo Miranda fra University of Plymouth fortalte Digital Trends. "Problemet er, at det tager otte sekunder at generere en kommando i øjeblikket, fordi EEG'et er meget langsomt. Vi har brug for meget bearbejdning for at analysere det. Og denne analyse er ikke så præcis, så vi skal blive ved med at tjekke mange gange for at se, om koden virkelig er, hvad personen vil producere."

Velkommen til de noget rystende, foreløbige trin i verden af ​​kvanteprogrammering ved hjælp af hjerne-computer-grænseflade. Ifølge dets skabere er det starten på konstruktionen af ​​det, holdet kalder Quantum Brain Network (forkortet til QBraiN). Og det har potentialet til at gøre en masse ting, der er værd at blive begejstret for.

Mere end summen af ​​dets dele eller et brødrister-køleskab?

Hvis du har set en liste over de mest spændende teknologier, der i øjeblikket flimrer i den tekniske horisont, er du næsten helt sikkert stødt på begreberne hjerne-computer interface (BCI) og kvantecomputer.

En BCI er fancy terminologi for en måde at styre en computer ved hjælp af hjernesignaler. Mens hver enhed med manuel input er teknisk styret af hjernen - dog normalt via en mellemmand som fingrene eller stemme - en BCI gør det muligt at sende disse kommandoer til omverdenen uden først at skulle output fra hjernen til perifere nerver eller muskler.

Kvantecomputere repræsenterer i mellemtiden Næste store ting inden for computere. Først foreslået i 1980'erne, selvom det først nu begynder at blive en teknisk realitet, refererer kvantecomputere til en helt ny tilgang til computerarkitektur. Det vil ikke kun være langt mere kraftfuldt end eksisterende klassiske computere, men vil også gøre det muligt at opnå ting, der ville være umulige selv med millioner af nutidens supercomputere lænket sammen. De kunne, hvis man tror på deres tilhængere, være svaret på det uundgåelige slutningen af ​​Moores lov, som vi kender den.

Men mens BCI'er og kvantecomputere utvivlsomt er lovende teknologier, der dukker op på samme tidspunkt i historien, er spørgsmålet, hvorfor de bringes sammen - hvilket er præcis, hvad konsortium af forskere fra U.K.s University of Plymouth, Spaniens University of Valencia og University of Seville, Tysklands Kipu Quantum og Kinas Shanghai University søger at gøre.

Teknologer elsker intet mere end at blande lovende koncepter eller teknologier sammen i den tro, at når de er forenet, vil de repræsentere mere end summen af ​​deres dele. Nogle gange fungerer det herligt. Som venturekapitalisten Andrew Chen beskriver i sin bog Koldstartsproblemet, Instagram udnyttede fremkomsten af ​​kamera-udstyrede smartphones og de samtidige kraftfulde netværkseffekter af sociale medier til at blive en af ​​de hurtigst voksende apps i historien.

At tage to must-have teknologier og kombinere dem virker dog ikke altid. Apples administrerende direktør Tim Cook sagde engang, at "du kan samle en brødrister og et køleskab, men du ved, de ting vil sandsynligvis ikke være behagelige for brugeren."

Så hvad gør hjernestyret kvanteberegning til et eksempel på førstnævnte, et medlem af mere-end-summen-af-dens-dele-klubben og ikke symptomatisk for brødrister-køleskab-problemet? I en papir udgivet i begyndelsen af ​​2022, skriver det førnævnte konsortium af forskere, at: "Vi forudser udviklingen af ​​stærkt forbundne netværk af wetware og hardwareenheder, der behandler klassiske og kvantecomputersystemer, medieret af hjerne-computer-grænseflader og A.I. Sådanne netværk vil involvere ukonventionelle computersystemer og nye modaliteter af menneske-maskine interaktion."

Brugssager i massevis

Den mest betydningsfulde – og, hvis det virker, umiddelbart transformerende – anvendelse af Quantum Brain Network er, at det vil hjælpe BCI'er til at fungere bedre. Vores hjerner er utroligt komplekse. De kan prale af 100 milliarder neuroner, der danner gigantiske netværk med kvadrillioner af forbindelser i konstant kommunikation med hinanden via små elektriske impulser. I dag er videnskaben i stand til at registrere den måde, dele af hjernen kommunikerer på, fra den mindste neuron-til-neuron-interaktion til større kommunikation mellem neuron-netværk.

Men at gøre dette involverede typisk højt specialiseret teknologi, såsom funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI), der kun er tilgængelig i topforskningslaboratorier. BCI-eksperimenterne, der er afhængige af det stumpe EEG-instrument, har en tendens til at være forholdsvis forenklede med hensyn til, hvad de kan gøre: Sig, at beslutte, om en person tænker på farven blå eller rød, eller få en drone til at bevæge sig op og ned eller til venstre og højre. De mangler nuancer.

Det ændrer sig nu, forklarede Miranda. ”Vi begynder at få adgang til god hardware. Stadig bedre EEG-scanning er kommer ud.”

Bedre hardware til hjernebølgeregistrering er dog kun en brik i puslespillet. Som en analogi, forestil dig at have en ekstraordinært præcis mikrofon placeret midt på et fodboldstadion. Mikrofonen er så kraftfuld, at den er i stand til at opfange enhver lyd fra de tusindvis af fans på stadion, uanset om de hepper højt eller stille og roligt gumler på en hotdog. Men hvor imponerende dette end ville være, uden den rigtige lydfiltreringssoftware, ville du ikke være i stand til at gøre mere end at lytte til en samlet, uformelig masse af publikumsstøj. I sig selv ville en sådan mikrofon ikke hjælpe dig med at bestemme for eksempel, hvad der bliver sagt af personen på sæde 77A.

Det, du har brug for, er ikke kun evnen til optage denne information, men også til afkode det og gør det nyttigt. Og hurtigt. Dette er, hvad kvantecomputere kunne gøre ved at bruge sine overlegne evner til at hjælpe med at behandle den bedre ufattelig mængde af elektriske hjerneimpulser, der er nødvendige for at forstå hensigter og tanker som de forekommer.

"BCI har brug for kontrol i realtid," fortsatte Miranda. "Jeg tror, ​​at kvanteberegning kan give den hastighed, vi har brug for til at udføre denne behandling... [Lige nu] kan vi ikke finde ud af, hvad al denne rodede information, vi får med EEG'et, betyder. Hvis vi kunne, så kunne vi begynde at klassificere signalerne og mærke visse adfærd, som vi tvinger os selv til at producere."

Måske ville det ikke engang være nødvendigt at anstrenge sig for at producere denne adfærd. Som Azeem Azhar skriver i sin bog fra 2021 Eksponentiel, er løftet om hjerne-computer-grænseflader at være i stand til at "plukke neural aktivitet fra vores hoveder, selv før den formes til tanker." Ligesom anbefalingssystemer - som dem, der er ansat af Spotify, Netflix og Amazon - søger at vise os, hvad vi vil forbruge før vi har endda besluttet os selv, så også vil BCI'er læse vores knapt bevidste tankemønstre og ekstrapolere nyttig information fra dem.

Det kunne være at styre et smart hjem eller en robot, dukker den rigtige kontekstuelle information op på det rigtige tidspunkt eller giver mere finkornet bevægelse til en neuralstyret protese. I Mirandas kæledyrsbrugssag, en han har arbejdet på i årevis, kunne det hjælpe mennesker med locked-in syndrom for bedre at kunne kommunikere hurtigt med omverdenen.

Kvantemetaversen?

Så er der muligheden for at bruge hjernen til at interagere med en kvantecomputer selv, i stedet for blot at bruge den til at bootstrap-behandling. "I fremtiden kan det være muligt at påvirke kvantetilstande i en kvantemaskine med mentale tilstande," sagde Miranda. "Jeg vil ikke gå så langt som at sige, at vi vil være i stand til at vikle vores hjerne ind med kvantecomputere, men vi vil være i stand til at have en mere direkte kommunikation med kvantetilstande."

Det kunne være at programmere en kvantecomputer ikke på den klodsede måde i demonstrationen, men blot ved at tænke på et ønsket output og lade maskinen programmere den rigtige kode med det samme. Forestil dig det som evolutionær databehandling (hvor du angiver et ønsket output og lader maskinen finde ud af den kreative vej dertil) på superpositionssteroider.

Nogle af forskerne på projektet er også begejstrede for udsigten til at skabe, hvad de kalder et kvante metavers. (Og hvis du tænker den nuværende begrebet det regulære metavers er sløret rundt om kanterne, prøv at vikle dit hoved om dets kvanteækvivalent!). Men på en eller anden måde giver ideen rigtig god mening. A.I. forskere har længe forestillet sig – og i virkeligheden understøtter dette hele forestillingen om ægte kunstig intelligens – at hjernens vådware kunne genskabes gennem hardware og software. Siden mindst 1990'erne har nogle førende fysikere og matematikere argumenteret for, at bevidsthedens natur i virkeligheden er kvante.

For eksempel en 2011 papir medforfatter af den verdenskendte Oxford matematiske fysiker Roger Penrose hævder, at "bevidsthed afhænger af biologisk orkestreret kvante beregninger i samlinger af mikrotubuli i hjerneneuroner, at disse kvanteberegninger korrelerer med og regulerer neuronal aktivitet, og at kontinuerlig Schrödinger-udvikling af hver kvanteberegning afsluttes i overensstemmelse med det specifikke Diósi-Penrose (DP)-skema for 'objektiv reduktion' af kvantetilstand."

"Der foregår en masse filosofisk debat, der siger, at hjernen fungerer som en kvantecomputer," forklarede Miranda. "Folk drømmer om, at det måske er muligt, at hvis vi formåede at forbinde vores hjerner med en kvantemaskine, så bliver vi en forlængelse af maskinen eller maskinen bliver en forlængelse af vores hjerne."

(Miranda sagde, at han ikke personligt er "helt overbevist" af argumentet om, at hjerner fungerer som kvantecomputere.)

Trin et på en lang rejse

For nu er meget af dette langt væk – og langt ude. Der skal gøres fremskridt på flere områder: Tilgængeligheden af ​​kvantecomputere (demoen beskrevet tidligere blev udført ved hjælp af en simuleret kvantecomputer), kvantealgoritmernes brugbarhed, fortsatte forbedringer i hjernelæsningsteknologi og meget mere.

Det næste skridt, sagde projektdeltager professor Enrique Solano, direktør for forskningsgruppen Quantum Technologies for Information Science (QUTIS), er "at gå efter en fanget-ion [kvante computer] eller en baseret på spin-qubits, som arbejder ved stuetemperatur og sikrer, at latens- og kohærenstider bliver kompatibel."

Det bliver svært at åbne denne Pandoras æske med hjernekontrolleret kvanteberegning. Vi taler om år, før dette bliver praktisk for mere end blot et par lovende demoer. Men de største innovationer tager ofte tid.

"Hjernen er det mest komplekse objekt, vi hidtil kender i universet," sagde Solano til Digital Trends. "I denne forstand, hvis du forbinder det med en primitiv grænseflade, er du nødt til at acceptere en forsimplet model af det med minimale biologiske og intelligente funktioner."

Quantum computing kan være løsningen på det problem. Velkommen til Quantum Brain Network, faktisk.

Redaktørens anbefalinger

• Et indblik i Lenovos mål om at fylde verden med mere bæredygtige computere
• Forskere har netop opnået et gennembrud inden for kvanteberegning
• Er du nysgerrig på Twitters fremtid? Det samme er det britiske parlament
• Forskere skaber 'manglende stiksavsstykke' i udviklingen af ​​kvantecomputere
• U.K. politi, der forventer at bryde pottefarmen, falder i stedet ind på cryptocurrency-minen