Inne i laboratoriet som kobler hjerner til kvantedatamaskiner

I et rom ved Storbritannias University of Plymouth, en Ph.D. eleven sitter ved en datamaskin med lukkede øyne som om han mediterer. På hodet hans er det noe som ser ut som en svart badehette, men er faktisk en elektroencefalogram (EEG)-leser som registrerer den elektriske aktiviteten som passerer over hodebunnen hans. Foran ham, på skjermen, er det et bilde av en wireframe-klode med to punkter merket "1" og "0." I midten av kloden, som en klokke med en enkelt viser, er en pil som svinger mellom de to poeng. Når eleven endrer uttrykket sitt fra et avslappende uttrykk til et med storøyd agitasjon, rykker og beveger pilen seg. Hvert sekund skriver han inn et nytt siffer.

Det ser kanskje ikke så mye ut (og akkurat nå er det fortsatt veldig tidlig for dette arbeidet), men det er ikke desto mindre fascinerende ting. Når eleven endrer hjernemønsteret sitt fra rolig til energisk og tilbake igjen, produserer han alfa- og betabølger som deretter brukes til å manipulere simulerte qubits - den elementære enheten i kvanteberegning, som reflekterer matematikken til kvantefysikk - ved å bruke noe mer enn kraften av tanke.

"Hvis du trener deg selv til å produsere disse to typene bølger, kan du sende en slags morsekode til datamaskinen," professor Eduardo Miranda fra University of Plymouth fortalte Digital Trends. "Problemet er at det tar åtte sekunder å generere én kommando for øyeblikket fordi EEG er veldig sakte. Vi trenger mye prosessering for å analysere det. Og denne analysen er ikke så nøyaktig, så vi må fortsette å sjekke mange ganger for å se om koden virkelig er det personen ønsker å produsere.»

Velkommen til de noe vaklende, tentative trinnene i verden av kvanteprogrammering ved hjelp av hjerne-datamaskin-grensesnitt. Ifølge skaperne er det starten på konstruksjonen av det teamet kaller Quantum Brain Network (forkortet til QBraiN). Og den har potensialet til å gjøre en haug med ting som er verdt å bli begeistret for.

Mer enn summen av delene eller en brødrister-kjøleskap?

Hvis du har sett en liste over de mest spennende teknologiene som for tiden skimrer i den tekniske horisonten, har du nesten helt sikkert kommet over begrepene hjerne-datamaskingrensesnitt (BCI) og kvantedatamaskin.

En BCI er fancy terminologi for en måte å kontrollere en datamaskin ved hjelp av hjernesignaler. Mens hver enhet med manuell inngang er teknisk kontrollert av hjernen – men vanligvis via en mellommann som fingre eller stemme – en BCI gjør det mulig å sende disse kommandoene til omverdenen uten først å måtte sende ut fra hjernen til perifere nerver eller muskler.

Kvantedatamaskiner representerer i mellomtiden Neste store ting innen databehandling. Først foreslått på 1980-tallet, selv om det først nå begynner å bli en teknisk realitet, refererer kvantedatabehandling til en helt ny tilnærming til dataarkitektur. Det vil ikke bare være langt kraftigere enn eksisterende klassiske datamaskiner, men vil også gjøre det mulig å oppnå ting som ville være umulig selv med millioner av dagens superdatamaskiner lenket sammen. De kan, hvis du tror deres talsmenn, være svaret på det uunngåelige slutten av Moores lov slik vi kjenner den.

Men mens BCI-er og kvantedatamaskiner utvilsomt er lovende teknologier som dukker opp på samme tidspunkt i historien, er spørsmålet hvorfor bringe dem sammen - som er nøyaktig hva konsortium av forskere fra U.K.s University of Plymouth, Spanias University of Valencia og University of Seville, Tysklands Kipu Quantum, og Kinas Shanghai University søker å gjøre.

Teknologer elsker ingenting mer enn å blande sammen lovende konsepter eller teknologier i troen på at når de forenes, vil de representere mer enn summen av delene deres. Noen ganger fungerer dette strålende. Som venturekapitalisten Andrew Chen beskriver i sin bok Kaldstartproblemet, utnyttet Instagram fremveksten av kamerautstyrte smarttelefoner og de samtidige kraftige nettverkseffektene av sosiale medier til å bli en av de raskest voksende appene i historien.

Å ta to teknologier du må ha og kombinere dem fungerer imidlertid ikke alltid. Apples administrerende direktør Tim Cook sa en gang at "du kan samle en brødrister og et kjøleskap, men du vet, disse tingene vil sannsynligvis ikke være behagelige for brukeren."

Så hva gjør hjernekontrollert kvanteberegning til et eksempel på førstnevnte, et medlem av mer-enn-summen-av-delene-klubben, og ikke symptomatisk for brødrister-kjøleskap-problemet? I en artikkel publisert tidlig i 2022, skriver det nevnte konsortiet av forskere at: "Vi forutser utviklingen av sterkt tilkoblede nettverk av våtvare- og maskinvareenheter, som behandler klassiske og kvantedatasystemer, mediert av hjerne-datamaskin-grensesnitt og A.I. Slike nettverk vil involvere ukonvensjonelle datasystemer og nye modaliteter for menneske-maskin interaksjon."

Bruke tilfeller i massevis

Den mest betydningsfulle – og, hvis den fungerer, umiddelbart transformerende – anvendelsen av Quantum Brain Network er at den vil hjelpe BCIer til å fungere bedre. Hjernen vår er utrolig kompleks. De kan skryte av 100 milliarder nevroner, og danner gigantiske nettverk med kvadrillioner av forbindelser i konstant kommunikasjon med hverandre via små elektriske impulser. I dag er vitenskapen i stand til å registrere måten deler av hjernen kommuniserer på, fra den minste nevron-til-nevron-interaksjonen til større kommunikasjon mellom nevronnettverk.

Men å gjøre dette involverte vanligvis høyspesialisert teknologi, for eksempel funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI), som bare er tilgjengelig i toppforskningslaboratorier. BCI-eksperimentene som er avhengige av det stumpe instrumentet til EEG har en tendens til å være relativt forenklede når det gjelder hva de kan gjøre: Si, å bestemme om en person tenker på fargen blå eller rød, eller få en drone til å bevege seg opp og ned eller til venstre og Ikke sant. De mangler nyanser.

Det endrer seg nå, forklarte Miranda. «Vi begynner å få tilgang til god maskinvare. Stadig bedre EEG-skanning er kommer ut.”

Bedre maskinvare som registrerer hjernebølger er bare en del av puslespillet. Som en analogi, forestill deg å ha en usedvanlig nøyaktig mikrofon plassert midt på en fotballstadion. Mikrofonen er så kraftig at den er i stand til å fange opp hver eneste lyd som lages av tusenvis av fans på stadion, uansett om de heier høyt eller stille gumler på en pølse. Men så imponerende som dette ville være, uten den rette programvaren for lydfiltrering, ville du ikke kunne gjøre mer enn å lytte til en samlet, uformelig masse støy fra publikum. I seg selv vil ikke en slik mikrofon hjelpe deg med å bestemme for eksempel hva som blir sagt av personen i sete 77A.

Det du trenger er ikke bare evnen til ta opp denne informasjonen, men også til dekode det og gjøre det nyttig. Og raskt. Dette er hva kvantedatabehandling kan gjøre ved å bruke dens overlegne evner for å hjelpe til med å bedre behandle ufattelig mengde elektriske hjerneimpulser som trengs for å forstå intensjoner og tanker som de oppstår.

"BCI trenger sanntidskontroll," fortsatte Miranda. "Jeg tror kvantedatabehandling kan gi hastigheten vi trenger for å gjøre denne behandlingen... [Akkurat nå] kan vi ikke finne ut hva all denne rotete informasjonen vi får med EEG betyr. Hvis vi kunne, så kunne vi begynne å klassifisere signalene og merke visse atferder som vi tvinger oss selv til å produsere."

Kanskje anstrengelse for å produsere denne atferden ville ikke engang være nødvendig. Som Azeem Azhar skriver i sin bok fra 2021 Eksponentiell, er løftet om hjerne-datamaskin-grensesnitt å være i stand til å "plukke nevral aktivitet fra hodene våre selv før det formes til tanke." Akkurat som anbefalersystemer – som de som er ansatt av Spotify, Netflix og Amazon – søker å vise oss hva vi ønsker å konsumere før vi har til og med bestemt oss selv, så også vil BCI-er lese våre knapt bevisste tankemønstre og ekstrapolere nyttig informasjon fra dem.

Det kan være å kontrollere et smart hjem eller en robot, dukker opp den riktige kontekstuelle informasjonen i rett øyeblikk, eller gir mer finkornet bevegelse til en nevralt kontrollert protese. I Mirandas kjæledyrbrukssak, en han har jobbet med i årevis, kunne det hjelpe mennesker med innelåst syndrom å bedre kommunisere raskt med omverdenen.

Kvantemetaversen?

Så er det muligheten for å bruke hjernen til å samhandle med en kvantedatamaskin selv, i stedet for bare å bruke den til å starte opp prosessering. "I fremtiden kan det være mulig å påvirke kvantetilstander i en kvantemaskin med mentale tilstander," sa Miranda. "Jeg vil ikke gå så langt som å si at vi vil være i stand til å vikle hjernen vår med kvantedatamaskiner, men vi vil være i stand til å ha en mer direkte kommunikasjon med kvantetilstander."

Det kan være å programmere en kvantedatamaskin ikke på den klønete måten for demonstrasjonen, men ganske enkelt ved å tenke på en ønsket utgang og la maskinen programmere riktig kode umiddelbart. Se for deg det som evolusjonær databehandling (hvor du oppgir ønsket utgang og lar maskinen finne ut den kreative veien til den) på superposisjonssteroider.

Noen av forskerne i prosjektet er også spente på utsiktene til å skape det de kaller et kvante metavers. (Og hvis du tenker strømmen konseptet med den vanlige metaversen er uklar rundt kantene, prøv å vikle hodet rundt dets kvanteekvivalent!). På en eller annen måte gir ideen mye mening. A.I. forskere har lenge forestilt seg – og dette underbygger egentlig hele forestillingen om ekte kunstig intelligens – at hjernens våtvare kan gjenskapes gjennom maskinvare og programvare. Siden minst 1990-tallet har noen ledende fysikere og matematikere hevdet at bevissthetens natur faktisk er kvante.

For eksempel, en 2011 papir medforfatter av den verdenskjente Oxford matematiske fysikeren Roger Penrose hevder at "bevissthet avhenger av biologisk orkestrert kvante beregninger i samlinger av mikrotubuli i hjerneneuroner, at disse kvanteberegningene korrelerer med og regulerer neuronal aktivitet, og at kontinuerlig Schrödinger-utvikling av hver kvanteberegning avsluttes i samsvar med det spesifikke Diósi–Penrose (DP)-skjemaet for "objektiv reduksjon" av kvantetilstand."

"Det foregår mye filosofisk debatt som sier at hjernen fungerer som en kvantedatamaskin," forklarte Miranda. "Folk drømmer om at det kanskje er mulig at hvis vi klarte å koble hjernen vår med en kvantemaskin, så blir vi en forlengelse av maskinen eller maskinen blir en forlengelse av vår hjerne."

(Miranda sa at han ikke personlig er "helt overbevist" av argumentet om at hjerner fungerer som kvantedatamaskiner.)

Trinn én i en lang reise

Foreløpig er mye av dette langt unna – og langt ut. Fremskritt må gjøres på flere områder: Tilgjengeligheten av kvantedatamaskiner (demoen beskrevet tidligere ble utført ved bruk av en simulert kvantedatamaskin), nytten av kvantealgoritmer, fortsatte forbedringer i hjernelesingsteknologi og mye mer.

Neste steg, sa prosjektdeltaker professor Enrique Solano, direktør for forskningsgruppen Quantum Technologies for Information Science (QUTIS), er "å gå for et fanget ion [kvante datamaskin] eller en basert på spin-qubits, som fungerer ved romtemperatur, og sikrer at latens- og koherenstider blir kompatibel."

Å åpne denne Pandora's Box med hjernekontrollert kvantedatabehandling kommer til å bli vanskelig. Vi snakker om år før dette blir praktisk for mer enn bare noen få lovende demoer. Men de største nyvinningene tar ofte tid.

"Hjernen er det mest komplekse objektet vi kjenner til i universet til nå," sa Solano til Digital Trends. "I denne forstand, hvis du kobler det til et primitivt grensesnitt, må du akseptere en forenklet modell av det med minimale biologiske og intelligente funksjoner."

Kvantedatabehandling kan være løsningen på det problemet. Velkommen til Quantum Brain Network, faktisk.

Redaktørenes anbefalinger

• Et innblikk i Lenovos mål om å fylle verden med mer bærekraftige datamaskiner
• Forskere har nettopp oppnådd et gjennombrudd innen kvanteberegning
• Nysgjerrig på Twitters fremtid? Det samme er det britiske parlamentet
• Forskere lager "manglende stikksag" i utviklingen av kvantedatabehandling
• U.K politi som forventer å avbryte pottegården, snubler over kryptovalutagruven i stedet