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Wie aus der Quantenprogrammierung ein 3-D-Puzzlespiel wurde
Software ist der Teil eines Computers, der aus verschlüsselten Informationen und Anweisungen besteht. Es ist völlig getrennt von der Hardware – den physischen Strukturen, die diese Anweisungen ausführen. Zumindest gilt das für herkömmliche Computer.
Doch in den letzten Jahren haben sich Informatiker zunehmend auf Quantencomputer konzentriert, die die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik nutzen, um Informationen zu verarbeiten. Dies führt zu viel leistungsfähigeren Berechnungen. In der Quantenwelt ist es jedoch viel schwieriger, Software und Hardware zu trennen.
Dennoch beginnt sich eine mächtige neue Art des Denkens über Quantensoftware herauszubilden. Und das Kuriose an diesem Ansatz ist, dass er die Quantenprogrammierung in eine Art 3-D-Puzzle verwandelt. Das führt zu einer interessanten Frage: Ist es möglich, Quantenprogramme so zu spielen, dass nützliche Ergebnisse erzielt werden?
Heute erhalten wir eine Antwort dank der Arbeit von Simon Devitt bei Riken in Saitama, Japan, der ein Online-Spiel entwickelt hat, das das Potenzial hat, eine entscheidende Rolle in der Zukunft der Quantenprogrammierung zu spielen. Das Spiel kann nicht nur Menschen helfen, bessere Programme zu erstellen, sondern es könnte auch einer neuen Generation von Maschinen mit künstlicher Intelligenz helfen, die Aufgabe selbst zu übernehmen.
Zuerst etwas Hintergrund. Man kann sich ein Quantenprogramm als zweidimensionales Gitter aus Qubits vorstellen, wie ein Blatt, oder als dreidimensionales Gitter, wie ein Kristall. Informationen werden kodiert, indem ein Loch oder Defekt im Gitter erzeugt wird.
Dies ist ein leistungsfähiger Ansatz, da die Informationen auf natürliche Weise durch die Eigenschaften des Gitters selbst vor Fehlern geschützt sind, wodurch sie effektiv an Ort und Stelle gehalten werden.
Die Informationen können verarbeitet werden, indem Defekte durch das Gitter bewegt und wie ein Knäuel aus Bindfäden umeinander gewickelt werden. Der Prozess des Verwirrens kann Logikgatter in Kraft setzen, die zusammen Berechnungen durchführen.
Dies ist im Wesentlichen ein topologischer Prozess. Die Mathematik der Topologie beschreibt also den gesamten Prozess, unabhängig davon, wie chaotisch das Verwirren wird. Solange die Gitter topologisch identisch sind, spielen die anderen Details der Verwicklung keine Rolle.
Dies ist analog zu der berühmten Verbindung zwischen einem Donut und einer Kaffeetasse. Diese Formen sehen völlig unterschiedlich aus, sind aber topologisch identisch, da sie beide ein einziges Loch enthalten. Durch Quetschen und Dehnen lässt sich das eine in das andere überführen, nicht aber durch Reißen.
Genauso verhält es sich mit Quantenprogrammen. Zwei Programme führen die gleiche Aufgabe aus, vorausgesetzt, sie sind topologisch identisch, aber unabhängig davon, wie verworren die Gitter werden.
Das wirft ein interessantes Problem auf. Wie einfach kann ein verworrenes Gitter, das ein Quantencomputerprogramm darstellt, unter Beibehaltung seiner Topologie gemacht werden? Mit anderen Worten: Wie lässt sich das Quantenprogramm optimieren?
Das ist wichtig, weil heutige Quantencomputer nur wenige Qubits verarbeiten können. Je einfacher ein Programm bei so knappen Quantenressourcen gemacht werden kann, desto leichter lässt es sich implementieren.
Hier kommt Devitt ins Spiel. Er hat eine leistungsstarke Methode entwickelt, um Quantenprogramme als 3-D-Gitter mit ineinandergreifenden Abschnitten zu visualisieren, die die Art und Weise darstellen, wie Informationen gespeichert und verarbeitet werden. Die Aufgabe der Optimierung besteht darin, das Gitter durch Verschieben, Schrumpfen, Dehnen und Überarbeiten der ineinandergreifenden Abschnitte zu vereinfachen und dabei die gleiche Topologie beizubehalten.
Devitt’s ist noch weiter gegangen, indem er die Aufgabe gamifiziert hat – er hat sie in ein webbasiertes Puzzle namens MeQuanics verwandelt, die Sie hier ausprobieren können . Die Idee hinter dem Spiel ist, dass ein Quantenprogramm Ihr Raumschiff antreiben kann. Aber das Programm, das Sie haben, ist zu groß und muss daher mit verschiedenen Tools verkleinert werden, die es umgestalten können.
Das Spiel ist faszinierend und unterscheidet sich nicht so sehr von diversen anderen Puzzlespielen. Es ist ein bisschen fehlerhaft, aber es sieht gut aus und ist einen Versuch wert, wenn Sie ein paar Minuten Zeit haben.
Es gibt noch einen weiteren versteckten Aspekt des Spiels. Eine Möglichkeit, den Prozess der Optimierung von Quantenprogrammen zu beschleunigen, bestünde darin, einen Algorithmus für maschinelles Lernen darauf zu trainieren, die Aufgabe zu erledigen. Diese Algorithmen haben sich bei anderen Aufgaben als sehr erfolgreich erwiesen und diese Art der Optimierung scheint ideal geeignet zu sein.
Aber es gibt ein Problem. Diese Algorithmen müssen trainiert werden, und das erfordert einen großen Datensatz an Beispielen, aus denen sie lernen können. Die Quantenprogrammoptimierung ist jedoch so neu, dass es für diese Aufgabe keine geeigneten Datensätze gibt.
Aus diesem Grund ist MeQuanics wichtig – beim Spielen des Spiels entsteht eine Datenbank mit Beispielen, die zum Trainieren einer Maschine verwendet werden können. Und bei genügend Daten sollten die Maschinen die Menschen schließlich übertreffen. Das AlphaGo-Programm von Google zeigte, wie mächtig sie sein können, als es kürzlich einen der besten menschlichen Go-Spieler verprügelte, nachdem es einen riesigen Datensatz von online gespielten Go-Spielen verschlungen hatte.
Devitts interessante Arbeit hat das Potenzial, eine neue Generation von Menschen in die Quantenprogrammierung einzuführen. Und das Beste ist, dass sie beim Lernen Spaß haben werden.
Ref: arxiv.org/abs/1609.06628 : Programmierung von Quantencomputern mit 3-D-Puzzles, Kaffeetassen und Donuts