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Crowdsourcing: Gamer tasten sich ans Quanten-Speed-Limit heran

Rund 10 000 Menschen finden mit Hilfe eines Computerspiels intuitiv Lösungen für Optimierungsprobleme der Quantenphysik. Nach Proteinfaltung und der Verteilung von Neuronen ein weiterer Erfolg für die "Citizen Science", der Quantencomputer näherbringen könnte.
Computerspiel "Quantum Moves"

Die so genannte Weisheit der Vielen konnte bereits helfen, spielerisch die Faltung von Proteinen oder die Verteilung von Neuronen besser zu verstehen. Nun befassen sich "Citizen Scientists", wie als Wissenschaftsgehilfen fungierende Laien genannt werden, auch mit Quantenphysik. Eine Gruppe von Forschern um Jacob Sherson von der Aarhus University in Dänemark hat sich von etwa 10 000 Computerspielern dabei helfen lassen, Lösungen für Fragen zu finden, die mit einer neuen, effizienten und skalierbaren Architektur von Quantencomputern in Verbindung stehen. Die Gamer konnten durch ihre intuitiven Strategien Erfolge verzeichnen, wo rein rechnerische Verfahren versagten. Mit Hilfe dieses Crowdsourcings entwickelten die Forscher dann eine heuristische Methode, die die prominentesten numerischen Methoden schlug.

Die Herausforderung für die Forscher war, ein Gamification-Konzept zu entwickeln, das Menschen hohe Anreize bieten würde, Lösungen für die Quantenprobleme zu "erzocken". Das gelang ihnen mit ihrem Spiel "Quantum Moves". Eine der Aufgaben, die man dabei meistern muss, nennt sich BringHomeWater. Dabei verschiebt der Spieler mittels einer optischen Pinzette Atome innerhalb eines Lichtgitters. Diese Lichtgitter lassen sich in der Realität mit Lasern verwirklichen und können dazu dienen, Atome zu speichern, die sich dann für die Operationen eines Quantencomputers verwenden lassen. Im Spiel müssen die Gamer ein Atom mit der optischen Pinzette einsammeln und es so schnell wie möglich durch das Lichtgitter zum Zielort bringen, ohne dass es herunterfällt. Die Aufgabe ähnelt der Idee, Wasser auf einer Frischhaltefolie um Hindernisse herumzubugsieren. Sie simuliert eines der grundlegenden Elemente eines Quantenrechners.

Die Verschiebung der Atome muss in der Realität so schnell gehen, dass das System aus Lasergitter und Atomen seine fragilen Quanteneigenschaften behält. Dazu sucht man die optimale Quantenoperation mit der kürzest möglichen Zeitdauer. Für diese Zeitdauer gibt es aber eine physikalische Untergrenze, das Quanten-Speed-Limit. Schneller kann ein System die gewünschte Quantenoperation nicht ausführen. Numerische Verfahren haben bislang bei der Berechnung dieser quantenphysikalischen Geschwindigkeitsbegrenzung für die Art von Problemen, die "Quantum Moves" behandelt, versagt. Die Lösungen der Gamer haben nun dazu beigetragen, neue Untergrenzen für das Quanten-Speed-Limit zu finden und Jacob Sherson und Co bei der Entwicklung ihres Quantencomputerprototyps ein Stückchen weiter gebracht.

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