Любители компьютерных игр решили квантовые проблемы

Люди тратят три миллиарда часов на игры в смартфонах и прочих мобильных устройствах. Даже один процент этих "мощностей" можно было бы превратить в единый огромный вычислительный ресурс

(фотография Global Look Press).

Учёные считают, что видеоигры таким образом снимают барьеры между "непостижимой" квантовой физикой и людьми, мало знакомыми с этой областью

(иллюстрация ScienceAtHome).

На этой "карте" показаны результаты полумиллиона игр. Каждый пик √ хорошее решение. Красным выделены области, которые компьютер затем проанализирует, чтобы понять, как работает человеческое мышление при поиски оптимального решения

(иллюстрация CODER:AU).

Играя человек интуитивно находит решение лучшее, чем мог бы дать любой суперкомпьютер, перебирающий миллионы возможных вариантов

(фото с сайта ScienceAtHome.org).

Более 10 тысяч компьютерных геймеров помогают физикам из Дании разработать улучшенные протоколы для работы квантовых компьютеров. Исследователи из Орхусского университета создали набор игр под названием "Квантовые движения" (Quantum Moves), которые имитируют операции в гипотетическом квантовом компьютере.

Любители видеоигр, сталкиваясь с трудностями, напоминающими реальные проблемы проектирования, придумывали лучшие решения, чем те, которые рассчитывали сами физики.

Отметим, что так называемая гражданская наука используется учёными довольно часто — тогда, когда требуется привлечь мыслительные способности обыкновенных людей для решения очень сложных научных проблем. Например, Союз охраны птиц России проводит свои подобные программы. Так, "Соловьиные вечера" — это кампания по подсчёту количества соловьев с использованием метода "народного мониторинга" (орнитологи физически не в состоянии обойти все леса и парки страны, но обыкновенные люди делают эту задачу выполнимой).

Успешные проекты стремятся использовать присущие человеку навыки, такие как распознавание образов и умение играть, для решения задач, в которых люди часто проявляют себя намного лучше, чем самые мощные компьютеры.

По этой причине Джейкоб Шерсон (Jacob Sherson) и его коллеги из Орхусского университета и создали проект Quantum Moves, который использует гражданскую науку.

Учёные считают, что видеоигры таким образом снимают барьеры между "непостижимой" квантовой физикой и людьми, мало знакомыми с этой областью
Учёные считают, что видеоигры таким образом снимают барьеры между "непостижимой" квантовой физикой и людьми, мало знакомыми с этой областью
(иллюстрация ScienceAtHome).

Напомним, что внутри современных квантовых компьютеров (или устройств, претендующих на то высокое звание) информация хранится в виде квантовых битов (кубитов). Кубиты представляют собой группу сильно охлаждённых атомов, захваченных в оптическую ловушку. Основная трудность, с которой сталкивается каждый инженер, пытающийся создать квантовый компьютер, состоит в том, что кубиты являются "хрупкими" и теряют состояние квантовой запутанности, когда взаимодействуют с внешней средой.

Эту проблему можно отчасти решить, если выполнять квантовые вычисления гораздо быстрее, чем требуется для потери того самого согласованного состояния. Это означает, что расчёты должны производиться так быстро и эффективно, насколько это возможно.

Однако бесконечно быстро сделать вычисления всё равно не удастся: дополнительным осложняющим фактором является принцип неопределённости Гейзенберга, который заставляет искать компромисс между скоростью и энергией.

Вариантов соотношения параметров время-скорость огромное количество! И чтобы выбрать из миллиардов возможностей наиболее эффективные, учёные и придумали проект Quantum Moves. Задача — переместить с помощью лазерного луча атомы в ловушке из одной "ячейки" в другую настолько быстро и эффективно, насколько это возможно, не разрушая их состояние квантовой запутанности.

В Quantum Moves этот процесс моделируется на примере игры под названием BringHomeWater ("Принеси воду домой"), которая предлагает игрокам использовать оптический пинцет, чтобы "выщипывать" атом из одной "ямки" и передвигать в другую. Проще всего представить себе этот процесс, как быстрое перекладывание яиц из одного углубления в другое в лотке для переноски яиц.

В игре атом изображается как вода, плещущаяся на дне энергетической "ямы" (таким образом отображается волновая природа частицы). Оптический пинцет представляется как вторая "яма", которая может быть перемещена к первой, так чтобы "вода" перелилась в "пинцет", а затем с его помощью была бы перенесена во вторую "яму".

 

Чем быстрее вода будет перемещаться, тем проще её разлить. Цель игры состоит в том, чтобы быстро переместить воду, не расплескав её – что и является аналогом оптимизации движения атома в квантовом компьютере.

При этом жидкость в "яме" плещется согласно законам квантовой физики, а не так, как мы привыкли видеть в нашем макромире. К этому игрокам приходится приспосабливаться, но они всё же одолевают эту сложность. Когда же человек находит способ перелить "воду", компьютер преобразует движения мышкой в реальные алгоритмы-решения, которые можно использовать для перекладывания атомов внутри оптической ловушки (квантового аналога лотка для яиц).

На этой "карте" показаны результаты полумиллиона игр. Каждый пик √ хорошее решение. Красным выделены области, которые компьютер затем проанализирует, чтобы понять, как работает человеческое мышление при поиски оптимального решения
На этой "карте" показаны результаты полумиллиона игр. Каждый пик √ хорошее решение. Красным выделены области, которые компьютер затем проанализирует, чтобы понять, как работает человеческое мышление при поиски оптимального решения
(иллюстрация CODER:AU).

Учёные обнаружили, что люди интуитивно гораздо лучше существующих сегодня компьютерных алгоритмов придумывают оптимальные пути перемещения атомов. Человеческие стратегии позволят физикам установить новые нижние границы на квантовом пределе скорости.

"Игроки решают очень сложные проблемы с помощью создания простых стратегий. Люди автоматически ищут решения, которые интуитивно кажутся им правильными", — говорит Шерсон.

Физик считает, что прозорливость общества, собранная в Quantum Moves, может быть использована для повышения эффективности компьютерных алгоритмов, которые проектируют квантово-вычислительные протоколы.

"Если мы сможем научить компьютеры распознавать эти хорошие решения, вычисления будут намного лучше. В некотором смысле мы загружаем нашу общую интуицию в машину", — отмечает Шерсон.

По его мнению, если превратить науку в игру, каждый человек сможет заниматься исследованиями в квантовой физике. "Мы показали, что игры ломают барьеры между квантовой физикой и людьми, незнакомыми с этой областью", — заключает учёный.

Любой желающий может поиграть в Quantum Moves хоть сейчас и помочь физикам в их исследовании на сайте ScienceAtHome. Научая статья датчан была опубликована в журнале Nature.

Играя человек интуитивно находит решение лучшее, чем мог бы дать любой суперкомпьютер, перебирающий миллионы возможных вариантов
Играя человек интуитивно находит решение лучшее, чем мог бы дать любой суперкомпьютер, перебирающий миллионы возможных вариантов
(фото с сайта ScienceAtHome.org).

Не можем не привести здесь и другие популярные проекты гражданской науки, где используется игровая атмосфера. Например, Galaxy Zoo – интернет-проект по классификации различных типов галактик. Добровольцам нужно определить по изображению удалённых астрономических объектов их тип, при этом никакого специального астрономического образования им не требуется. Основы классификации изложены в руководстве на самом сайте.

Другим примером является Foldit – это онлайн-головоломка о фолдинге (укладывании) белка. Задача — наилучшим образом свернуть длинную молекулу выбранных протеинов. Самые успешные результаты "игр" затем анализируются учёными, которые могут с их помощью найти решение реальных научных проблем, связанных с поиском вакцин и биологическими инновациями.