Мобильная игра позволила всем желающим совершенствовать квантовые технологии

ScienceAtHome.com

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.

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.