AI centraal in Nobelprijs 2024 voor Natuurkunde en Scheikunde. Een teken van wat komen gaat

Het Nobelcomité maakte tijdens een personferentie op 8 oktober 2024 bekend dat John J. Hopfield en Geoffrey E. Hinton de Nobelprijs voor Natuurkunde hebben gewonnen. De prijs gaat dit jaar naar twee wetenschappers die aan de wieg stonden van kunstmatige intelligentie (Artificial Intelligence- AI). Zij trainden kunstmatige neurale netwerken met behulp van natuurkunde.
Hopfield is een Amerikaanse natuurkundige en emeritus hoogleraar aan de Princeton-universiteit in de VS;  Hinton is een Brits-Canadese cognitief psycholoog en computerwetenschapper. Hij werkte afwisselend voor Google LLC (Google Brain) en de Universiteit van Toronto. In mei 2023 kondigde hij publiekelijk zijn vertrek aan bij Google, vanwege bezorgdheid over de risico’s van kunstmatige intelligentie en AI-technologie.

De twee winnaars hebben gereedschap uit de natuurkunde gebruikt om methoden te ontwikkelen voor de de basis van krachtige machine learning^*). Hopfield creëerde een associatief geheugen dat beelden en andere soorten patronen in gegevens (data) kan opslaan en reconstrueren. Hinton vond een methode uit die zelfstandig eigenschappen in gegevens (data) kan vinden en zo taken kan uitvoeren zoals het identificeren van specifieke elementen in afbeeldingen.

Teken van de dingen die komen gaan

Nello Cristianini, professor Artificial Intelligence aan de University of Bath, Engeland, schreef op The Conversation dat de toekenning van de prijs een teken is van de dingen die komen gaan. Hij vraagt zich ook af wat Alfred Nobel, de oprichter van de prijzen, hiervan zou vinden: “Er zullen ongetwijfeld nog veel meer Nobel-medailles worden uitgereikt aan onderzoekers die gebruik hebben gemaakt van AI-tools. Naarmate dit gebeurt, zullen de wetenschappelijke methoden die door het Nobelcomité worden gehonoreerd misschien afwijken van eenvoudige categorieën als ‘natuurkunde’, ‘scheikunde’, ‘fysiologie’ of ‘geneeskunde’.

De Nobelprijs voor scheikunde is gedeeld door biochemicus David Baker van de Universiteit van Washington en de computerwetenschappers Demis Hassabis en John Jumper, beiden werkzaam bij Google DeepMind in Groot-Brittannië.

Neurale netwerken

Er is een nauw verband tussen de op AI gebaseerde ontwikkelingen in de categorieën natuurkunde en scheikunde, schrijft Cristianini. Hinton hielp bij de ontwikkeling van een aanpak die DeepMind gebruikte voor zijn doorbraak in het voorspellen van vormen van eiwitten.
De natuurkunde-prijswinnaars, vooral Hinton, legden de basis voor het krachtige veld dat bekend staat als machine learning, een onderdeel van AI dat zich bezighoudt met algoritmen, reeksen regels voor het uitvoeren van specifieke rekentaken.

Het werk van Hopfield wordt vandaag de dag niet bijzonder veel meer gebruikt, maar het backpropagation-algoritme (mede uitgevonden door Hinton) heeft grote invloed gehad op veel verschillende wetenschappen en technologieën. Het betreft neurale netwerken, een computermodel dat de structuur en functie van het menselijk brein nabootst om gegevens te verwerken. Backpropagation stelt wetenschappers in staat om gigantische neurale netwerken te ‘trainen’. Hoewel het Nobelcomité zijn best heeft gedaan om dit invloedrijke algoritme in verband te brengen met natuurkunde, is er geen direct verband.

Enorme hoeveelheden gegevens

Het trainen van een machine-learningsysteem houdt in dat het wordt blootgesteld aan enorme hoeveelheden data, vaak van het internet. Hintons vooruitgang maakte uiteindelijk de training mogelijk van systemen zoals GPT (de technologie achter ChatGPT) en de AI-algoritmen AlphaGo en AlphaFold, ontwikkeld door Google DeepMind. De impact van backpropagation is dus enorm geweest. DeepMind’s AlphaFold 2 heeft een vijftig jaar oud probleem opgelost: het voorspellen van de complexe structuren van eiwitten op basis van hun moleculaire bouwstenen, aminozuren.

Sinds 1994 houden wetenschappers elke twee jaar een wedstrijd om de beste manieren om eiwitstructuren en -vormen te voorspellen op basis van de sequenties van hun aminozuren. De wedstrijd heet Critical Assessment of Structure Prediction (CASP).
De afgelopen paar wedstrijden hebben CASP-winnaars een versie van DeepMind’s AlphaFold gebruikt. Er is dus een directe lijn te trekken van Hintons backpropagation naar Google DeepMind’s AlphaFold 2 doorbraak.
David Baker gebruikte het computerprogramma Rosetta om de moeilijke taak te volbrengen voor het bouwen van nieuwe soorten eiwitten. Zowel de aanpak van Baker als die van DeepMind heeft een enorm potentieel voor toekomstige toepassingen.

Het toekennen van credits is altijd een controversieel aspect van Nobelprijzen geweest. Maximaal drie onderzoekers kunnen een Nobelprijs delen. Maar grote wetenschappelijke vooruitgang betekent samenwerking. Wetenschappelijke artikelen kunnen tien, twintig, dertig of meer auteurs hebben. Meer dan één team kan bijdragen aan de ontdekkingen die door het Nobelcomité worden gehonoreerd.

Een eigen categorie

Dit jaar, aldus Cristianini, discussiëren we misschien nog over de toekenning van het onderzoek naar het backpropagation-algoritme, dat door verschillende onderzoekers is geclaimd, en over het algemene toekennen van een ontdekking aan een vakgebied als natuurkunde. We hebben nu te maken met een nieuwe dimensie van het toekenningsprobleem. Het wordt steeds onduidelijker of we altijd onderscheid kunnen maken tussen de bijdragen van menselijke wetenschappers en die van hun kunstmatige medewerkers – de AI-tools, die nu al helpen de grenzen van onze kennis te verleggen.

Cristianini eindigt zijn artikel op The Conversation met de vraag: “Gaan we in de toekomst meemaken dat machines de plaats innemen van wetenschappers en dat mensen een bijrol krijgen? Als dat zo is, krijgt het AI-tool misschien wel de belangrijkste Nobelprijs en hebben mensen een eigen categorie nodig”.

Noot
^*) Machine learning (ML) – lerende machines – is een vorm van kunstmatige intelligentie (AI) die gericht is op het bouwen van systemen die van de verwerkte data kunnen leren of data gebruiken om beter te presteren. Kunstmatige intelligentie of Artificiële Intelligentie (AI) is een overkoepelende term voor systemen of machines die de menselijke intelligentie nabootsen. Ook al worden machine learning en AI vaak in één adem genoemd en worden de termen soms door elkaar gebruikt, ze betekenen niet hetzelfde. Een belangrijk verschil is dat terwijl machine learning altijd onder AI valt, AI niet altijd onder machine learning valt.

AI was central to two of 2024’s Nobel prize categories. It’s a sign of things to come, door Nello Cristianini, The Conversation, 10 oktober 2024: https://theconversation.com
Nello Cristianini is verbonden aan de Universiteit van Bath en auteur van de boeken The Shortcut (CRC Press, 2023) en Machina Sapiens (Mulino, 2024).

The Conversation is een samenwerkingsverband van redacteuren, journalisten en academici met als doel het vrij publiceren van nieuws, commentaar, meningen en visies voor een breed publiek. Zie meer hierover op de site van The Conversation: https://theconversation.com