Prof Francesco Petruccione van die Skool vir Datawetenskap en Rekenaardenke aan die Universiteit Stellenbosch (US) het sy intreerede op Woensdag 23 Oktober 2024 gelewer. Die titel van sy lesing was “Die naasliggende kwantum: Die oorbrugging van teorie en tegnologie vir ʼn kwantumtoekoms".
Petruccione, wat ook die Direkteur is van die Nasionale Instituut vir Teoretiese en Berekeningswetenskappe (NITheCS) waarvan die hoofkantoor by die US geleë is, het met die Afdeling Korporatiewe Kommunikasie en Bemarking gesels oor hoe kwantumtegnologieë deurbrake in geneeskunde en biotegnologie kan bewerkstellig, datasekuriteit kan bevorder, ʼn omwenteling in nywerhede kan meebring en opvoedkundige en loopbaangeleenthede vir die volgende generasie wetenskaplikes en ingenieurs kan skep.
Vertel ons meer van jou navorsing en hoekom jy in hierdie spesifieke veld belanggestel het.
Ek was nog altyd geboei deur die rol van toeval in die vorming van die wêreld. Hierdie nuuskierigheid het meegebring dat ek my verdiep het in statistiese fisika (om te bestudeer hoe groot groepe klein deeltjies optree deur statistieke te gebruik) en stogastiese prosesse (prosesse waar die uitkoms nie ten volle voorspelbaar is nie), waar ek geleer het om onsekerheid te aanvaar as ʼn kragtige manier om komplekse stelsels te verstaan. Uiteindelik het hierdie reis my na kwantummeganika gelei, waar waarskynlikheid nie net ʼn abstrakte idee is nie – dit is die kern van alles.
My navorsing fokus nou op kwantumberekening (die gebruik van die unieke eienskappe van kwantummeganika om probleme baie vinniger op te los as deur gewone rekenaars), kwantumkommunikasie (die gebruik van die beginsels van kwantumfisika om data op ʼn superveilige manier oor te dra) en oop kwantumstelsels (kwantumstelsels wat in wisselwerking met hul omliggende omgewing is) om te ondersoek hoe hierdie tegnologieë rekenaarwetenskap en veilige kommunikasie kan transformeer en nuwe insigte in biologiese prosesse en tegnologie kan bied.
Hoe sou jy die relevansie van jou werk beskryf?
Kwantumrekenaarwetenskap beskik oor die potensiaal om probleme aan te pak wat klassieke rekenaars eenvoudig nie kan hanteer nie—soos om komplekse kodes te ontsyfer, nuwe materiale te ontwerp en ʼn omwenteling in die ontdekking van geneesmiddels mee te bring. Kwantumkommunikasie, waarvan die sekuriteit op fisikabeginsels eerder as wiskundige aannames gebaseer is, word van deurslaggewende belang soos wat ons digitale wêreld aanhou uitbrei.
Deur oop kwantumstelsels te bestudeer, probeer ons ʼn duideliker prentjie kry van hoe kwantumprosesse met hul omgewing in wisselwerking is – ʼn noodsaaklike stap om stabiele, betroubare kwantumtegnologieë te skep. Boonop kan die inbring van kwantumkonsepte in biologie diep insigte ontsluit oor hoe die lewe werk, wat deurbrake in geneeskunde en biotegnologie kan teweeg bring.
Wat is ʼn paar huidige bydraes van kwantumwetenskap en -tegnologie, en watter potensiaal hou dit in om ons daaglikse lewe te verbeter?
Kwantumwetenskap en -tegnologie lewer reeds werklike bydraes en daar is nog soveel potensiaal om te ondersoek. Kyk byvoorbeeld na kwantumsleutelverspreiding—dit verhoog reeds datasekuriteit, wat noodsaaklik is in die huidige digitale era. Kwantumsensors maak ook opslae en lewer ongeëwenaarde presisie in alles van mediese beelding tot omgewingsmonitering.
As ons vorentoe kyk, kan kwantumrekenaarwetenskap die manier hoe ons komplekse probleme oplos heeltemal verander – of dit nou is om molekulêre interaksies te simuleer, nuwe materiale te ontwikkel of logistieke netwerke te optimaliseer. In biologie kan navorsing oor kwantumverskynsels groot deurbrake in die verstaan van die fundamentele meganismes van lewe ontsluit, met enorme implikasies vir gesondheidsorg en biotegnologie.
Wat behels die mees onlangse vooruitgang in kwantummasjienleer?
Onlangse deurbrake in kwantummasjienleer behels nuwe maniere om data te verwerk en ontleed, wat geleenthede bied om klassieke metodes te oortref. Kwantumalgoritmes word ontwikkel om take soos dataklassifikasie, -groepering en patroonherkenning aan te pak deur die unieke kwantumeienskappe van superposisie en vervlegting te gebruik om werklike voordele te bied wanneer met komplekse datastelle gewerk word.
In astrofisika ondersoek ons kwantummasjienleer om die enorme hoeveelhede data te hanteer wat van teleskope en simulasies afkomstig is. Ons het byvoorbeeld kwantummasjienleer suksesvol gebruik om pulsars (vinnig draaiende neutronsterre wat pulse van radiogolwe uitstraal) te klassifiseer met data van die Square Kilometer Array-radioteleskoopprojek (SKA). Op mediese gebied het kwantummasjienleer reuse potensiaal om ʼn omwenteling in diagnostiek en persoonlike behandeling teweeg te bring deur komplekse datastelle soos genomiese volgordes en mediese beelding vinnig te ontleed – wat vinniger, meer presiese gesondheidsorgoplossings meebring.
As ʼn professor in kwantumrekenarwetenskap, hoe beskou jy die belangrikheid van hierdie veld vir Suid-Afrika en die res van die wêreld?
Ek beskou kwantumrekenaarwetenskap as ʼn spelbreker vir Suid-Afrika én die res van die wêreld. Die potensiaal daarvan om probleme op te los waarmee klassieke rekenaars sukkel, maak daarvan ʼn sleuteldryfveer vir vooruitgang op gebiede soos materiaalwetenskap, chemie en data-ontleding.
Vir Suid-Afrika bied kwantumtegnologie ʼn unieke kans om innovasie aan te wakker en ekonomiese groei ʼn hupstoot te gee. Deur in kwantumnavorsing en -ontwikkeling te belê, kan ons plaaslike uitdagings aanpak—soos om energieverspreiding te optimaliseer, gesondheidsorg te verbeter en kuberveiligheid te versterk – terwyl ons die land as ʼn leier in voorpunt-wetenskap reg oor Afrika posisioneer. Dit bied ook opwindende opvoedkundige en loopbaangeleenthede vir die volgende generasie wetenskaplikes en ingenieurs.
Op ʼn wêreldwye skaal is kwantumrekenaarwetenskap op die punt om ʼn omwenteling teweeg te bring in nywerhede wat wissel van die ontdekking van geneesmiddels tot materiaalwetenskap. Deur aan hierdie globale beweging deel te neem kan Suid-Afrika in tegnologiese vooruitgang deel en help om die toekoms van wetenskap en tegnologie te vorm.
As jy in jou kristalbal sou kyk, watter rigtings voorsien jy vir kwantumwetenskap en -tegnologie?
As ek vorentoe kyk, sien ek ʼn paar werklik opwindende kwantumwetenskap- en -tegnologiedeurbrake. Een groot verskuiwing sal wees om kwantumrekenaars van eksperimentele prototipes in praktiese, skaleerbare masjiene te verander wat werklike probleme kan oplos. Ek kan my indink dat globale netwerke deur kwantumverstrengeling en kwantumsleutelverspreiding in kwantumkommunikasie aangedryf word, wat ongeëwenaarde sekuriteit sal lewer. Hierdie netwerke kan die manier waarop ons sensitiewe finansiële, gesondheidsorg- en regeringsinligting beskerm, heeltemal verander.
Om ʼn dieper begrip van oop kwantumstelsels te kry, sal die sleutel wees om kwantumtegnologie meer stabiel te maak en die korreksie van foute te verbeter – basies om dit vir alledaagse gebruik gereed te maak. By die kruispunt tussen kwantumwetenskap en biologie sien ek kwantumbiologie wat tot beduidende deurbrake lei, soos nuwe insigte in fotosintese en ensiemfunksie, wat nuwe mediese behandelings kan inspireer. Boonop sal die kombinasie van kwantumrekenaarwetenskap met masjienleer data-analise op gebiede soos genomika en finansies aanwakker. Uiteindelik sal die uitbreiding van kwantumonderrig die volgende generasie wetenskaplikes en ingenieurs bemagtig om te innoveer en hierdie tegnologieë se potensiaal ten volle te ontsluit.
Jy het baie jare in die uitdagende omgewing van hoër onderwys deurgebring. Wat hou jou gemotiveerd wanneer dinge moeilik raak?
Wat my aan die gang hou, is die gevoel van doelgerigtheid en eindelose moontlikhede wat kwantumwetenskap bied. Heelwat van my motivering kom ook van my studente en kollegas. Om jong wetenskaplikes te onderrig en te mentor herinner my hoekom ek op hierdie veld verlief geraak het – hul nuuskierigheid en entoesiasme is ongelooflik aansteeklik. Uiteindelik is dit die mengsel van betekenisvolle navorsing en om ander te help groei wat my aanhou inspireer, selfs wanneer dinge moeilik raak.
Watter aspekte van jou werk geniet jy die meeste?
Ek hou die meeste daarvan om voortdurend nuwe idees te verken en van die opwinding om nuwe uitdagings die hoof te bied. Kwantumwetenskap ontwikkel so vinnig en daar is altyd iets nuuts om te leer of te ontdek—dit is nooit vervelig nie. Ek geniet dit ook baie om jong wetenskaplikes te mentor – om hul groei, nuuskierigheid en bydraes dop te hou herinner my hoekom ek so passievol oor hierdie veld is. Hul entoesiasme is aansteeklik en gee my vars energie, wat die soeke na nuwe kennis selfs meer lonend maak. Die mengsel van deurlopende leer en om die volgende generasie te help groei, maak my werk bevredigend en ongelooflik genotvol.
Vertel vir ons iets opwindends oor jouself wat mense nie sou verwag nie.
Ek glo in openheid en het dus nie baie geheime nie. Ek het in Italië grootgeword, maar het gekies om in die buiteland te studeer en het direk ná matriek in Duitsland met my studies begin. Ek het nooit aan ʼn Italiaanse universiteit gestudeer nie.
Hoe bring jy jou vrye tyd deur?
Ek hou daarvan om aktief te bly en in die natuur te kom wanneer ek ook al kan. Hardloop, stap en voetslaan is my staatmaker-aktiwiteite – dit hou my fiks, maak my kop skoon en gee dikwels aanleiding tot nuwe idees vir my werk. Met al die pragtige natuurreservate naby mis ek nooit ʼn geleentheid om die natuurlewe en die asemrowende uitsigte te ervaar nie. Ek is ook ʼn groot aanhanger van lees – niks klop ʼn goeie boek om my perspektief te verbreed en my ná ʼn lang dag te help ontspan nie.
