Мобильная игра позволила всем желающим совершенствовать квантовые технологии
Физики из Орхусского Университета (Дания) разработали игру Quantum Moves, основанную на принципах квантовой механики. Задача игры — как можно быстрее и надежнее перенести атом из одной точки пространства в другую, имитируя работу оптического пинцета. Разработчики отмечают, что механика игры соответствует работе реальных систем и что первые результаты пользователей уже позволили улучшить предложенные компьютером алгоритмы перемещения атомов.
Исследование первых результатов игры опубликовано в журнале Nature, с кратким его изложением можно ознакомиться в редакторском материале. Игра доступна как на компьютерах под управлением Windows и OSX, так и на мобильных платформах iOS и Android.
Обновлено: в июле 2020 года статья была отозвана из Nature.
Роль атома в игре исполняет похожая на жидкость субстанция — чем ее больше, тем больше вероятность того, что атом находится в данной области пространства. В начале каждого уровня она находится в углублении, расположенном в некоторой точке экрана. Задача пользователя — создав еще одно углубление на игровом поле и управляя им, переместить как можно больше «жидкости» из одной области экрана в другую.
С точки зрения физики игру можно интерпретировать следующим образом. Все игровое поле — одномерное пространство (линия), в котором с помощью лазера создана точка с минимумом потенциальной энергии, так называемая потенциальная яма. Атому выгодно находиться в этой области, поскольку в ней он обладает наименьшей возможной энергией. Новое углубление, которое создает пользователь — вторая потенциальная яма, также управляемая лазером-оптическим пинцетом. Ее глубина и положение в реальном эксперименте определяется интенсивностью и положением лазерного луча.
«Жидкость» представляет собой волновую функцию атома, находящегося в потенциальной яме. Хотя ее поведение напоминает поведение обычной жидкости, есть и некоторые отличия. К примеру, она может туннелировать, перемещаясь через барьер между двумя ямами, чем можно пользоваться в игре. Успешность прохождения каждого уровня определяется по двум параметрам — как быстро пользователь перенес жидкость из одной ямы в другую, и какая ее доля при этом «расплескалась». Каждую последовательность движений мышки или пальца разработчики переносят в реальную последовательность манипуляций над оптической ловушкой.
Комбинаций скорости, глубины ямы, используемой для транспортировки, и последовательностей действий существует бесконечное количество. Поэтому ранее ученые пытались создать компьютерные алгоритмы, которые перебирали различные варианты в писках оптимального пути. Однако, как показало исследование, в отличие от компьютеров, люди могут выработать интуитивное понимание поведения «квантовой жидкости», которое помогает улучшить результаты чисто машинного поиска.
Физики попросили около 300 человек пройти один из уровней игры — Bring Home Water. Суммарно волонтеры сыграли в игру примерно 12 тысяч раз. Исследователи загрузили полученные последовательности перемещений в компьютер для последующей доработки. Более половины гибридных решений, полученных на выходе, оказались эффективнее, чем чисто машинные. Однако более значимым результатом стало то, что два лучших гибридных решения обошли по скорости самые быстрые алгоритмы транспортировки, выработанные компьютерами в одиночку.
Хотя концепция квантовой механики во многом контринтуитивна, даже неспециалисты могут сыграть в Quantum Moves. По словам независимого эксперта, Сета Ллойда из Массачусетского Технологического Института, ее успех в визуальной простоте. Но физик предостерегает, что в более сложных квантовых задачах такой подход может не сработать.
Проблема управления атомами в оптических ловушках — одна из реальных физических задач. Системы атомов в оптических решетках могут послужить основой для масштабируемых квантовых компьютеров, но некоторые реализации вычислений в таких объектах используют контактные взаимодействия между атомами. Чтобы привести два атома в контакт физики предлагают использовать оптический пинцет.
Владимир Королёв
Вероятно, исследователям сложнее разрабатывать новые идеи и концепты удаленно
Ученые из США проанализировали 22,5 миллиона исследовательских статей и 4 миллиона заявок на патенты за последние 50 лет и обнаружили, что исследователи и изобретатели стали гораздо чаще сотрудничать удаленно, но вместе с тем — уменьшилось число прорывных открытий. Авторы связывают это с тем, что на расстоянии ученым проще координировать усилия на поздних стадиях работы — выполнять технические задачи, обрабатывать и анализировать данные, а вот разрабатывать новые идеи становится сложнее. Результаты опубликованы в Nature. Интернет позволяет людям взаимодействовать и сотрудничать, независимо от того, где они находятся. Ученые тоже пользуются этим — и нередко среди авторов одной статьи можно найти исследователей из разных городов и стран, и даже с разных континентов. Можно было бы предположить, что возможность обмениваться знаниями и опытом в таких масштабах должна привести к изобилию новых идей и открытий, однако, по всей видимости, это не так. Недавнее исследование показало, что среди растущего в последние годы количества научных исследований и патентных заявок принципиально новых открытий становится все меньше. У Линфэй (Lingfei Wu) из Питсбургского университета вместе с коллегами решил выяснить, связано ли это с тем, что в команды все чаще собираются ученые, работающие в разных городах и странах — то есть сотрудничающие удаленно. Они проанализировали 22,5 миллиона исследовательских статей, опубликованные с 1960 по 2020 год, и 4 миллиона заявок на патенты с 1976 по 2020 год. Чтобы понять, можно ли исследование или патент назвать «прорывным» авторы рассчитывали D-оценку. Этот показатель основан на том, будут ли авторы последующих статей, цитирующих данную, ссылаться на более ранние исследования по теме. Прорывные открытия характеризуются тем, что «затмевают» или «разрушают» предыдущие: новые знания настолько отличаются от того, что было раньше, что в дальнейшем опираться на прежние результаты практически (или вовсе) не имеет смысла. D-оценка может меняться от −1 — что характерно для исследований и наработок, продолжающих старые, до 1, что говорит о том, что открытие полностью разрушает старые знания. К примеру, D-оценка прорывной статьи Уотсона и Крика 1953 года о структуре ДНК равна 0,96, а статьи 2001 года о секвенировании генома человека — −0,017. Анализ показал, что за последние полвека среднее расстояние между учеными, которые вместе работали над исследованием, увеличилось со 100 до 1000 километров, а для авторов заявок на патенты — с 250 до 750 километров. Доля работ, авторы которых находились друг от друга более чем в 2500 километрах, увеличилась с 2 до 15 процентов для статей и с 3 до 9 процентов для патентов. При этом вероятность того, что D-оценка будет больше нуля, снизилась с 28 до 22 процентов для статей и с 67 до 55 процентов для патентов (p < 0,001). Когда ученые включили в анализ разные ковариаты — среднюю продолжительность карьеры ученых, размеры команд, силу связей и другие — «штраф» за удаленное сотрудничество составил 3–4 процента. То есть исследователи, работающие удаленно, действительно реже открывали что-то принципиально новое. Кроме того, одни и те же ученые более вероятно участвовали в разработке исследования, написании статьи и анализе, если работали в командах на местах. Если же они участвовали в работе удаленно, вероятность их участия в этих этапах создания статьи снижалась на 8–12 процентов, и самым значительным это снижение было для начальных этапов, на которых и обсуждаются идеи. Также авторы обнаружили, что ученые с разным индексом цитирования с меньшей вероятностью совместно работали над разработкой исследования, если были далеко друг от друга. Если же индексы цитирования были примерно равны, шансы на сотрудничество на ранних этапах исследования не снижались даже при удаленной работе. Для команд, работающих в одном месте, таких закономерностей не наблюдалось. В конце концов, ученые пришли к выводу, что удаленное сотрудничество, хоть и предоставляет много возможностей, все-таки затрудняет интеграцию команд — особенно на тех этапах, когда авторы думают над концепцией исследования и обмениваются идеями. В таком случае, проекты, направленные на создание или открытие чего-то инновационного, авторы предлагают распределять между командами на местах. Во время пандемии многие компании перешли на удаленную работу, а ученые стали активнее исследовать, как этот переход повлиял на самочувствие и производительность сотрудников и на рабочие процессы. Одно из таких исследований показало, что генерировать творческие идеи людям легче, когда они общаются вживую, а не по видеосвязи.