Indstilling af professor Jørgen Ellegaard Andersen til Fyens Stiftstidendes Forskerpris 2022

Professor Jørgen Ellegaard Andersen er en af verdens førende i kvantematematik, altså den matematik som beskriver verden på subatomart niveau.

Tilbage til Fyn

Jørgen Ellegaard Andersen er oprindeligt fra Fyn, hvor han har gået i skole på Ådalskolen og Skt. Klemensskolen, taget sin studentereksamen på Vest Fyns Gymnasie og læste både til bachelor- og kandidat i matematik ved Syddansk Universitet (SDU) i slutfirserne. 

SDU er lykkedes med at tiltrække J.E. Andersen tilbage til Fyn efter en succesfuld karriere, der indtil nu har bragt ham både til USA i den prestigefyldt stilling som C.B. Morrey Jr. assistant professor ved University of California, Berkeley, umiddelbart efter hans doktorgrad i matematik fra Oxford Universitet (1992) og til stillinger som først lektor (1997) og siden professor (2007) ved Aarhus Universitet. Han er nu blevet headhuntet til SDU, hvor J.E. Andersen sammen med Syddansk Universitet har grundlagt et nyt permanent center, Center for Kvantematematik ved Institut for Matematik og Datalogi, som han er daglig leder af. Endvidere er han Chair of Quantum Mathematics ved D-IAS (Danish Institute for Advanced Study) som også er en del af Syddansk Universitet.

Forskningsleder med 320 millioner i forskningsbevillinger

J. E. Andersen er ikke en hvilken som helst professor i matematik; han har opnået beundringsværdig stor anerkendelse med forskningsbevillinger på i alt over 320 mio. kr. fra både danske, europæiske og amerikanske forskningsfonde.

Allerede inden han blev professor var J. E. Andersen fra 2006 leder af et forskningscenter ved Aarhus Universitet støttet af Danmarks Frie Forskningsråd såvel som ’PI’ (principal investigator) på et Niels Bohr gæsteprofessorat for Nicolai Reshetikhin fra UC Berkeley støttet af Danmarks Grundforskningsfond (DNRF).

For at nævne et par af hans tillidshverv; har han været valgt til formand for et europæisk forskningsnetværks-program støttet af det Europæiske Videnskabsråd (ESF) fra 2009-2014, valgt som formand for Uddannelses og Forskningsstyrelsens danske ph.d.-program: “Geometry and Mathematical Physics School” (GEOMAPS) fra 2008-2012 med deltagelse af både Københavns Universitet, Syddansk Universitet og Aarhus Universitet & han har været udnævnt bestyrelsesmedlem af EU-IRSES-programmet “MODULI” fra 2014-2017.

J. E. Andersen har også modtaget en af de mest prestigefyldte bevillinger nationalt; en Centre of Excellence-bevilling fra Danmarks Grundforskningsfond (DNRF) i 2009: Center for Kvantegeometri af Modulirum (QGM) på en total bevilling på knap 90 millioner kr.. Centeret blev valideret af DNRFs ekspertpanel som konkluderede (oversat til dansk):

– I løbet af kort tid har QGM etableret sig som det premierecenter for forskning indenfor modulirum og kvantisering.

J. E. Andersen er en meget aktiv forskningsleder. Han har organiseret over 100 større forskningsevents og har i årene 2006-2019 haft et årligt besøgsprogram på ca. 100 gæsteforskere til hans center ved Aarhus Universitet. Han er en sand dynamo med et vidtrækkende internationalt netværk og et ekstremt niveau i alle aspekter af sin karriere, både i den rene forskning, formidlings-/outreach-delen såvel som i undervisning/supervisering og mentoring. Extraordinært har han gennem sin ekstremt aktive karriere indtil nu superviseret/mentoreret mere end 25 ph.d.-studerende og 40 postdocs.

Han modtog i 2018 den mest prestigefyldte bevilling i Europa; et ERC Synergy Grant fra det Europæiske Forskningsråd. Forskningsprojektet med titlen ”ReNewQuantum” er indenfor kvantematematik og foregår i samarbejde med andre Europæiske topforskere. Denne bevilling har er totalt på 10 millioner euro og blev bevilget i konkurrence med forskere fra ALLE videnskaber. Det er det første ERC Synergy Grant nogensinde tildelt et projekt indenfor ren matematik og/eller teoretisk fysik. Projektansøgningen blev yderligere rangeret absolut i top blandt alle ansøgninger i ansøgningsrunden med et citat fra ERC-evalueringen (oversat til dansk):

– Dette er et super team. Det er svært at forestille sig et stærkere.

Forskningsexcellence

For at fuldende denne række af anerkendende bevillinger har J. E. Andersen senest modtaget den mest prestigefulde netværksbevilling inden for matematik i USA; et Simons Collaboration Grant fra Simons Foundation i New York med en total på 8 millioner USD. Dette er et forskningsprojekt i samarbejde med de førende amerikanske forskere indenfor J. E. Andersens forskningsfelt ved flere ’Ivy League’ universiteter, inkl. Harvard, Princeton, MIT, Stanford og UCLA. Rektor Jens Ringsmose på Syddansk Universitet har på meget passende måde udtrykt det på følgende måde:

– At SDU har en matematiker af en sådan kaliber, som kan opnå både at have den største og mest prestigefyldte bevilling i Europa og i USA på samme tid, er virkelig i verdensklasse og et klart udtryk for forskningsexcellense.

E. Andersen er et kæmpe aktiv for dansk forskning generelt og for det matematiske samfund verden over. Herudover gør han en stor indsats for at gøre nye generationer af børn og unge interesserede i matematisk viden gennem forskellige foredrag og oplæg. Bl.a. er han i gang med skabe et program som skal afprøve undervisning af folkeskoleelever i kvantematematik.

J. E. Andersen har som én af de eneste i verden indenfor kvantematematik publiceret i alle tre følgende internationale top-tidsskrifter; Annals of Mathematics, Inventiones Mathematics & Proceedings of the International Congress of Mathematicians (Proc. of ICM). Yderligere, som noget helt specielt for en ren matematiker, har han også publiceret i tidskrifter dedikeret til anvendt forskning som f.eks. Nature Communications, hvor han i et samarbejde med både biologer, fysikere og statistikere publicerede en ny algoritme til analysering af Hydrogenbindinger i proteiner.

Matematikken

J. E. Andersens forskning rækker over en bred vifte af emner indenfor ren matematik – særligt indenfor grenen geometri og topologi, hvor han fokuserer på de dele med tætte bånd til kvanteteori. Disse er: Kvante-topologi, topologi og kvantisering af modulirum og geometrisk kvantisering – en avanceret matematisk version af kvantemekanik, hvilket særligt involverer kvantisering af krumme faserum, abstrakt kategoriteori, såsom ”Modular Tensor Categories” i forbindelse med topologisk kvantefeltteori, deformationskvantisering samt geometrisk og topologisk rekursion.

J. E. Andersen er den verdensførende forsker når det kommer til anvendelsen af modulirum-teknikker i studiet af ’Witten-Reshetikhin-Turaev Topologisk Kvantefeltteori’ WRT-TQFT. Denne specielle topologiske kvantefeltteori blev skabt af den verdensberømte fysiker Edward Witten (IAS, Princeton) i slutningen af 80’erne og inspireret af Wittens arbejde gav matematikkerne Reshetikhin (UC Berkeley) og Turaev (Strassbourg) en præcis matematisk definition af denne teori ved hjælp af repræsentationsteorien for kvantegrupper. Herefter fulgte store arbejder fra ledende differentialgeometrikere, så som M. Atiyah, S. Donaldson, N. Hithcin and G. Segal og en lang række flere, fokuseret på at udvikle en geometrisk kvantiseringsmetode, som kunne anvendes på visse modulirum til at bygge TQFT’en. Det var dog først ved Andersens ”Asymptotic faithfulness” resultat, publiceret i Annals of Mathematics, at man virkelig fik dokumentation for, hvorledes denne geometriske definition kunne bruges til at vise fundamentalt vigtige egenskaber ved denne teori. J. E. Andersen har videre i et samarbejde med K. Ueno fra Kyoto Universitet bevist at denne geometriske konstruktionsmetode faktisk giver WRT-TQFT’en, hvilket er publiceret i Inventiones Mathematica.

Endvidere har J. E. Andersen sammen med R. Kashaev ved Geneve Universitet pioneret udviklingen af en kompleks version af WRT-TQFT’en, som nu går under navnet Andersen-Kashaev TQFT’en, publiceret i Proc. of ICM, og som i en vist forstand kan opfattes som en udvidelse af WRT-TQFT’en, således den tillader komplekse værdier for Plancks konstant.

ReNewQuantum

Det er præcist denne udvidelse af kvanteteori som tillader komplekse værdier af Planck’s konstant, der danner kernen i det europæiske forskningsprojekt ”ReNewQuantum”, som er støttet af et ERC-Synergy grant, ledet af J. E. Andersen, Maxim Kontsevich og flere andre europæiske topforskere indenfor området.

Sammen med ReNewQuantum-teamet har J. E. Andersen foreslået en helt ny matematisk model for kvanteteori ved hjælp af abstrakte matematiske teorier, så som Borel-resummation, Resurgence, Fukaya kategorier og Riemann-Hilbert problemer, løst via Higgs-bundtteknikker med det mål at producere eksakte modeller og forudsigelser for alle slags kvantesystemer.

Der pågår et meget aktivt arbejde under dette projekt med at konstruere og verificere teorien. En lang række kvantesystemer har allerede vist sig at have disse egenskaber.

Kvantecomputer-software

Det har længe været kendt at WRT-TQFT’en, som J. E. Andersen er førende indenfor, er en teoretisk universel kvantecomputer. Det vil sige at enhver kvantekode formuleret i termer af Q-bits/Q-gates kan oversættes til en topological kvantekode, som kan køres på kvantehardware som kan simulere WRT-TQFT’en.

De seneste par år har store firmaer som Google, IBM, Microsoft, Amazon og en lang række startup firmaer annonceret store fremskridt i udviklingen af kvantehardware. Grunden til at alle disse store firmaer investerer mange milliarder af dollars på udviklingen af kvantecomputere er at disse, når de er fuldt udviklet, vil give os en regnekraft som er fuldstændigt uden sidestykke til det man kan lave selv med de største konventionelle supercomputere i verden. Man taler faktisk om en kvante-industriel revolution.

For nuværende befinder vi os dog stadig i det som Professor John Preskill, en teoretisk fysiker fra Caltech, har kaldt NIQS-æraen (NIQS er en forkortelse for: Noisy Intermediate-Scale Quantum Technology), hvor kvantehardwaren stadig har udfordringer med forstyrrelse af regneprocessen på grund af små bitte påvirkninger fra omgivelserne. Dette betyder, at hvis man ønsker at programmer disse NISQ-æra kvanteplatforme, skal man helt ned i den kvantematematik, som præcist beskriver det fysiske system, inklusive effekter fra omgivelserne.

Dette er præcist J. E. Andersens force; i hans matematiske værktøjskasse er den teoretiske universelle topologiske kvantecomputer WRT-TQFT’en og ved at bruge nye resultater udviklet under ”ReNewQuantum”- projektet har J. E. Andersen også for nyligt forstået hvorledes han kan producere kvantekoder som rent faktisk kan køre på disse NISQ-æra kvantehardware, såsom ”Gaussian Boson Sampling”, Ion-Trap og superledende platforme.

Herudover har han et stort indblik i hvordan kvanteberegninger allerede kan med meget stor fordel benyttes i flere domænespecifikke felter, såsom i den finansielle sektor, energisektoren, klimasektoren, farma-sektoren, logistiksektoren, konstruktionssektoren, mediesektoren osv., hvor J. E. Andersen nu har tætte samarbejder med en lang række industripartnere både direkte via sit Center for Kvantematematik ved SDU og via sin nye SDU-spinoff virksomhed Qpurpose ApS.

Som et par enkelte eksempel herpå kan nævnes samarbejder med Ørsted A/S rettet mod at optimere Power-to-X udnyttelser af store vindmølleparker og med SDU Climate Cluster samt Dansk Meteorologisk Institut rettet mod udvikling af nye kvanteassisterede klima- og vejrmodeller.