Цивилизация
Сегодня любой человек может поучаствовать в серьезных научных исследованиях, не выходя из дома. Для этого вовсе не обязательно разбираться в устройстве квантовых компьютеров или нейронных сетей. Дело в том, что в последние годы все активнее развивается новый подход к проведению научных исследований, получивший название «гражданская наука» (citizen science).
Суть этого подхода заключается в привлечении добровольцев, не имеющих специального образования, к решению сложных научных задач. Эта идея может быть реализована в форме онлайн-игр, в которых участникам предлагается решить научную проблему в виде головоломки.
Игроки находят решения задачи, затем ученые анализируют их и выбирают оптимальные.
Такой процесс сведения научных задач к игре называют игрофикацией. Игрофикация уже успела зарекомендовать себя как эффективный инструмент решения сложных научных проблем. Такие игровые проекты, как Foldit и EteRNA, с успехом применяются для исследования фолдинга (сворачивания) белков и молекул РНК, а проект EyeWire привлекает добровольцев для создания карты связей нейронов в сетчатке глаза.
Однако до настоящего момента никто не пробовал применить игрофикацию для решения проблем квантовой физики. Впервые это сделала группа ученых с факультета физики и астрономии Орхусского университета в Дании. Работа ученых опубликована в журнале Nature на этой неделе.
В этой статье авторы анализировали результаты работы своего проекта Quantum Moves — онлайн-платформы, призванной помочь в решении проблем, стоящих на пути создания квантовых компьютеров.
В обычном компьютере основной единицей информации является бит, находящийся в одном из двух состояний — логический ноль или единица. В квантовом компьютере носителями информации служат квантовые частицы, например атомы. Из квантовой физики известно, что квантовая система находится в так называемой суперпозиции состояний. Классический пример — кот Шредингера, который одновременно и жив и мертв. Поэтому квантовый компьютер оперирует с так называемыми квантовыми битами (кубитами).
Кубит представляет собой не просто логический ноль или логическую единицу — он может принимать оба значения одновременно.
На сегодняшний день одним из важных способов исследования квантовых компьютеров является создание так называемых оптических решеток. Оптические решетки создаются за счет интерференции лазерных пучков, распространяющихся в противоположных направлениях. В итоге получается периодическая структура — потенциал, напоминающий лоток для куриных яиц. В каждой ячейке такого «лотка», которая является потенциальной ямой, располагается атом. Изменяя параметры лазеров, можно управлять глубиной потенциальных ям и их периодичностью.
Сюжет игры Quantum Moves основан на реальной проблеме квантовой информации: с какой скоростью следует перемещать атом между ячейками оптической решетки, чтобы энергетическое состояние самого атома не менялось. В квантовых системах энергия и время жестко связаны принципом неопределенности Гейзенберга, поэтому хитрость заключается в том, чтобы найти оптимальные параметры перемещения, при которых не будет разрушаться квантовое состояние атома.
С этой целью ученые разработали компьютерный алгоритм, имитирующий процессы, происходящие с атомами в оптической решетке.
Отдельный атом в игре представлен в виде сосуда с плещущейся в нем жидкостью, которая отображает волновую природу квантовой частицы. Зная определенные правила перемещения сосуда, игрок должен как можно быстрее переместить его в целевую зону, не расплескав жидкость. На последующих уровнях у игрока будут появляться препятствия — стены, пол или потолок.
На одном из уровней игрок также управляет вторым сосудом, в который нужно собирать выплескивающуюся жидкость и доставлять ее обратно на базу. В отличие от обычной воды, эта жидкость ведет себя в соответствии с законами квантовой механики: например, игрок может переместить жидкость из одного сосуда в другой с помощью туннелирования сквозь стенки.
Около 300 человек добрались до этого уровня в игре и в общей сложности сыграли на нем 12 тыс. раз (всего в игре приняли участие около 10 тыс. человек). Предложенные игроками стратегии были проанализированы на компьютере. Выяснилось, что больше половины из придуманных людьми решений являются более эффективными, чем вычисленные с помощью компьютерных алгоритмов, а две лучшие гибридные стратегии оказались успешнее, чем то, что предлагал самый быстрый компьютер.
«Я был совершенно поражен, когда мы увидели результаты», — говорит руководитель проекта Якоб Соренсен.
По мнению Соренсена, полученные результаты означают, что физикам стоит больше доверять своей собственной интуиции.
«Мы должны стараться быть более спонтанными и использовать интуицию при решении сложных проблем», — говорит он. С этой целью его команда уже готовит модернизированную версию игры, в которой игроки смогут сами изменять сценарий, внося дополнительные параметры, что позволит по-новому взглянуть на эту задачу.