Nyt kvantespil hjælper fysikere på vej mod en kvantecomputer

For tre år siden kunne vi fortælle, at den aarhusianske fysiker Jacob Sherson ville have almindelige mennesker til at spille et eget-udviklet spil med den bagtanke, at spillerne kunne løse et optimeringsproblem inden for kvantemekanik, som var relevant for kvantecomputere.

Læs også: Prøv kvantecomputerspillet og hjælp en fysiker

I en online-artikel i Nature kan fysikere fra Jacob Shersons forskningsgruppe ved Aarhus Universitet nu fremlægge erfaringerne fra spillet, der bekræfter, at mennesker er langt bedre til at løse optimeringsproblemet end selv de bedste computeralgoritmer.

Sabrina Maniscalco fra Turku Universitet i Finland skriver i den anledning i en kommentar i Nature, at det nok er menneskers evne til at tænke 'ud af boksen', der giver dem et kreativt forspring i forhold til computere.

»Selv om det er et åbent spørgsmål, om denne metode kan anvendes mere generelt inden for kvantefysik, er det bestemt interessant at forfølge den mulighed,« skriver hun.

Alle spil inden for QuantumMoves er blevet spillet 500.000 gange af ca. 10.000 spillere. Det mest avancerede spil, BringHomeWater, er spillet 1.200 gange af 300 spillere.

Det er dette spil, som forskerne fokuserer på i deres videnskabelige artikel.

Manipulation af atomer

Der knytter sig en lille forhistorie til spillet, som vi løbende har berettet om på ing.dk.

Det begyndte i 2010, da Jacob Sherson sammen med fysikere fra Max-Planck-Institut für Quantenoptik i München viste, at de kunne se og manipulere atomer enkeltvis, der var fanget i optisk gitter på samme vis, som æg ligger godt og sikkert i en æggebakke.

Læs også: Dansk-tysk mikroskop klar til kvanteberegninger med ultrakolde atomer

Året efter viste han, hvordan man med en optisk pincet kan styre atomerne rundt i gitteret

Læs også: Kapløb for atomer baner vej for kvantecomputer

Problemet i den form for for kvantecomputer, som Jacob Sherson forestiller sig, er, at atomerne, som repræsenterer kvantebits (qubit), skal kunne flyttes rundt uden at tabe de egenskaber, som er knyttet til begrebet entanglement eller sammenfiltrede kvantetilstande.

Når der skal udføres beregninger, skal to kvantebits bringes i kontakt med hinanden. Det betyder, at man meget hurtigt skal kunne flytte et atom fra én position i gitteret til en anden. Går det for langsomt, forsvinder kvanteegenskaberne.

Problemet er, at det gør det også, hvis man hurtigt og brutalt giver sig til at flytte atomerne. Det vil forstyrre atomernes bølgefunktion lidt på samme måde, som vandet i en spand begynder at skvulpe og kan flyde ud af spanden, hvis spanden flyttes for raskt og ukontrollabelt.

Flyt spanden uden at spilde

For at finde gode, hurtige bevægelser uden skvulp blev QuantumMoves introduceret i 2013.

Spillet BringWaterHome går ud på at flytte en spand vand fra et sted til andet hurtigst muligt og uden at tabe noget af vandet undervejs. Den måde, vandet skvulper på i spillet, svarer til den måde, hvorpå atomernes bølgefunktion i kvanteverdenen forstyrres.

Der findes naturligvis algoritmer til at flytte atomerne bedst muligt. De er baseret på, at man starter med et gæt for en optimeringsalgoritme.

Den bedste er en variant af Krotov-algoritmen opfundet af Vadim Krotov, som kaldes KASS.

Den fandt aarhusfysikerne var bedre end en anden algoritme kaldet CRAB (Chopped RAndom Basis), som ellers ofte fremhæves til samme formål.

Men endnu bedre er faktisk de metoder, som de bedste spillere intuitivt bruger. Ved at tage udgangspunkt i spillernes bedste metode og lade computeren optimere ud fra denne, udviklede forskerne en Computer-Human Optimization (CHOP)-teknik til deres optimeringsproblem, der var langt bedre end den rene computerløsning med KASS.

Problemet med KASS og andre rene computerteknikker er nemlig, at det er svært at finde det gode udgangspunkt for algoritmen.

Farvel til KASS og CHOP, goddag til HILO

På langt sigt vil Jacob Sherson og co. gerne undgå at basere sig på spillere til at udvikle og styre en kvantecomputer.

De har derfor allerede nu udviklet en ny computeralgoritme, de kalder HILO for Heuristical Initialized Optimizer, og som tager udgangspunkt i samme gode startgæt, som bruges ved CHOP.

Forskerne har allerede opnået at gøre HILO endnu bedre end CHOP.

Det viser, at samspillet mellem mennesker og maskiner har mange facetter: Lidt menneskelig intuition og hjælp kan gøre computere smartere til finde gode løsninger, men derefter ser det ud til, at computerne selv igen kan tage over.

Du har selv muligheden for at spille QuantumMoves og hjælpe forskerne i deres videre arbejde.