Решаем проблемы создания квантовых компьютеров вместе с Марией Осетровой в компьютерной игре Quantum Moves 2.

Всем привет, я Маша Осетрова, и я работаю в проекте «Люди науки», где мы рассказываем о том, как люди без специальных знаний и навыков могут сделать свой вклад в науку. Вдвойне приятно, когда приобщиться к реальному научному исследованию можно в игровой форме — особенно когда речь идёт о такой сложной области, как квантовая физика. Сегодня хочу рассказать об игре Quantum Moves 2, в которой волонтёры двигают атомы, чтобы помочь исследователям создать квантовый компьютер.

Илл.: Scienceathome.org

О проекте

Видео-игру Quantum Moves 2 создала команда проекта ScienceAtHome, о которой мы уже писали, рассказывая об игре Skill Lab: Science Detective. Её идея возникла у команды физиков из Орхусского университета в Дании, когда они задумали построить квантовый компьютер. Как следует из его названия, квантовый компьютер использует квантово-механические явления для хранения, обработки и передачи данных. Учёным приходится иметь дело со странным квантовым миром, в котором всё работает немного по-другому. Например, в качестве единиц информации в квантовом компьютере используются кубиты (от англ. q-bit, quantum bit, то есть «квантовый бит»), которые могут одновременно быть равными и единице, и нулю.

Квантовая система, с которой работают исследователи, представляет собой облако атомов рубидия-87 при сверхнизких температурах. Каждый кубит в ней представлен массивом отдельных атомов, расположенных в оптической решетке. Авторы проекта рекомендуют представлять её себе как контейнер из яиц, — ну, или атомов, — сделанный из света (ничего необычного, не правда ли?)

Илл.: scienceathome.org

Чтобы перемещать отдельные атомы из одного углубления в другое и, как следствие, выполнять вычисления, используют сверхсфокусированные лазерные лучи, называемые оптическим пинцетом. Попадая под лазер, как корова в луч из летающей тарелки, атом оказывается в ловушке и следует за лучом лазера вплоть до следующего углубления на решетке. Расстояние между отдельными углублениями — около 500 нм, это в сотни раз меньше толщины человеческого волоса, так что работать приходится в высшей степени ювелирно. 

Как делать это максимально эффективно, учёные пока не до конца разобрались (как тут пригодился бы сам квантовый компьютер) и надеются на самое мощное из известных нам вычислительных устройств — человеческий мозг. Игра Quantum Moves имитирует поведение атомов в оптической решетке и их взаимодействие с оптическим пинцетом, а задача волонтёров — найти лучшие траектории для перемещения атомов, которые исследователи могли бы в дальнейшем использовать в своих экспериментах. Первая версия игры вышла ещё в 2012 году и оказалась невероятно популярна у пользователей. Сейчас исследователи выпустили бета-версию Quantum Moves 2, в которой у игроков появилась возможность оптимизировать свои удачные решения. Как пишут авторы проекта, теперь отношения человека и компьютера в проекте стали двунаправленными. Кроме того, помимо передвижения отдельных атомов, у игроков есть шанс поработать с конденсатом Бозе — Эйнштейна, одним движением перемещая группы в несколько сотен атомов.

Вперёд, в квантовый мир!

Скачать и установить игру может любой желающий, сейчас есть версии для ОС Windows и Mac. Если вы уже регистрировались на сайте ScienceAtHome (например, в игре Skill Lab: Science Detective), то повторно делать этого не придётся. Весит игра немного, скачивается и устанавливается быстро. Один нюанс — для работы ей требуется доступ к интернету, но в современном мире это большой проблемы не представляет, да и трафик совсем небольшой. 

Захожу в игру. Главная страница оформлена как панель какого-то прибора вроде осциллографа, выглядит очень стильно. Вокруг экрана нижней панели нарисованы какие-то тумблеры, бегунки, окошечки с цифрами. Наверное, об их значении расскажут по ходу дела. 

Илл.: scienceathome.org

Мне сообщают, что в игре есть как обучающие уровни (tutorial levels), так и задания, которые содержат реальные научные задачи — они отмечены лупой. Также напоминают, что это бета-версия и создатели игры открыты для отзывов и предложений. Нажимаю Play, появляется список уровней — вот они, сначала обучающие, а потом уже «боевые».

Главные герои игры, сообщают мне — очень холодные атомы, они же волны (ага, это про корпускулярно-волновой дуализм), поэтому в игре они представлены как зеленоватая жидкость с красной кромкой сверху. Зелёная чаша изображает лазер, который удерживает атом. Если начать его двигать, то частица-волна начнёт двигаться вслед за ним. В первый раз я двинула резковато, и частица «выплеснулась» из углубления, созданного лазером. В процессе игра запоминает мои движения и отрисовывает их синей линией.

Итак, задача — перенести частицу-волну в другую «ёмкость» справа, двигая прицел, за которым следует оптический пинцет. Причём сделать это нужно как можно быстрее и аккуратнее. С третьего раза у меня получилось, ура!

Илл.: scienceathome.org

Внизу появилось число, значение точности (англ. fidelity), оно отражает, насколько хорошо атом попал в цель и не «плещется» ли он на новом месте. Максимально возможное значение — 1, у меня пока 0.395, есть к чему стремиться. Если никак не получается поймать частицу, можно изменить скорость движения лазера. Чем медленнее, тем проще: после того, как я уменьшила скорость в два раза, точность стала уже 0.918!

Но не всё так просто: есть и ограничение по времени. Сверху отмечено максимальное время, за которое нужно выполнить задание на определённом уровне. Как оно заканчивается, можно также увидеть на прицеле, который тащит частицу. Точность, кстати, тоже на нём отображается.

Илл.: scienceathome.org

Нажав на клавишу «replay», можно просмотреть своё решение и сделать работу над ошибками. Если решение вам совсем не нравится, можно нажать на «try again» и пройти тот же уровень ещё раз.

Слева от основного экрана виден второй, маленький (если на него кликнуть, он откроется в основном окне). В нём можно посмотреть на соотношение скорости и точности для каждого решения. Например, чтобы выбрать самое удачное и попытаться улучшить скорость или качество. А ещё удачное решение можно включить в качестве «привидения», которое будет сопровождать вас в последующих попытках. Так предыдущее самое удачное решение будет всегда перед глазами и будет на что опираться.

Илл.: scienceathome.org

А после того, когда вручную уже улучшать нечего, можно обратиться к оптимизатору — это алгоритм, который подкорректирует ваше решение, чтобы оно ещё лучше подходило под заданные параметры. Качество оптимизации зависит от количества итераций, которые делает оптимизатор: с каждым разом становится чуть-чуть лучше. Уже за 10 итераций точность становится больше 0.9!

При этом время не меняется, так что на графике всех решений можно увидеть, как с каждой итерацией решение ползёт строго вверх. По мере накопления количества итераций цвет точек меняется — от синего к голубому и через зелёный к жёлтому и красному. Так по графику сразу видно, насколько быстро шла оптимизация.

Ну что ж, обучающие уровни позади, можно браться и за науку. Видно, что в научных уровнях одни и те же задания представлены в нескольких вариантах. Например, есть несколько вариаций задания «Принести домой воду» — они так называются, поскольку лазеру нужно сначала дойти до ячейки с атомом, «зачерпнуть» его, а потом аккуратно вернуться обратно. Сложнее, чем обучающее задание, но через 5-10 попыток что-то начинает получаться. Удалось выяснить, что до атома можно двигаться очень быстро, а вот обратно лучше идти не спеша, чтобы не раскачивать лазер слишком сильно.

Илл.: scienceathome.org

В заданиях серии «Взболтать» нужно изменить изначальную форму волны, встряхивая лазер. Оказалось сложнее, чем кажется.

Ещё один тип заданий — «Расщепление». Одну частицу-волну нужно как-то распределить между двумя углублениями. И это даже сложнее, чем с взбалтыванием. Пришлось несколько раз применить оптимизацию, это немного помогло, но всё-таки можно и лучше.

Итоги

В этой игре есть что-то очень притягательное — сочетание сложнейшей научной задачи, простоты заданий и стильного оформления. В этом мнении со мной сходятся сотни тысяч пользователей, сыгравшие в оригинальную версию игры несколько миллионов раз и сейчас активно осваивающие новую бета-версию. Приятно знать, что такое приятное времяпрепровождение оказывается действительно полезно: по результатам проекта Quantum Moves уже была опубликована статья в Nature — одном из самых престижных научных журналов. За один раз одолеть все уровни мне не удалось, так что я ещё обязательно вернусь, чтобы подвигать атомы и поразмахивать оптическим пинцетом. А вы?