Computerspil tæmmer atomernes verden

I kvantefysik beskrives atomers og molekylers bevægelse, som om de er bølger, der udbreder sig gennem rummet på samme måde som dønningerne fra et skib udbreder sig på en havoverflade.

Fysikere kan beregne bølgens form og bevægelse ved at løse en bestemt matematisk ligning, Schrödingers ligning.

Højden af den teoretisk beregnede bølge på forskellige steder angiver, hvor sandsynligt det er, at man i et eksperiment vil finde atomet netop der.

Vi ved altså ikke med sikkerhed, hvor atomet er, før vi har målt det, og indtil målingen finder sted, er det som om, atomet er flere steder på samme tid.

Det er de mikroskopiske partiklers mærkværdige evne til at være flere steder og have flere egenskaber på samme tid, som vi forsøger at anvende i kvantecomputeren.

LÆS OGSÅ: Vær med til at bygge en dansk kvantecomputer

Kvantefysikken kan løse meget svære regnestykker

I en klassisk computer benyttes strømme og spændinger til at repræsentere data i form af bits, således at for eksempel to forskellige elektriske spændinger svarer til de to mulige talværdier 0 og 1.

Hvis man i stedet lagrer informationen om bitværdierne 0 og 1 ved, at et atom er på et eller et andet sted, er det, ifølge kvantefysikken, muligt at være i en tilstand, som på samme tid repræsenterer talværdierne 0 og 1. Sådan en bit kaldes en kvantebit.

To atomer kan så på samme tid repræsentere de fire muligheder 00, 01, 10 og 11 og med flere endnu kvantebits kan vi arbejde med tal med mange cifre og på samme tid udføre beregninger på mange tal: Kvantefysikken indebærer fantastiske muligheder for at løse meget svære regnestykker.

LÆS OGSÅ: Nu kan alle få adgang til en kvantecomputer

Efterretningstjenester støtter forskning i kvantecomputere

En kvanteberegning er en fysisk proces, som først er afsluttet, når computerens endelige resultat er blevet udlæst ved en måling.

Udviklingen af en praktisk kvantecomputer handler især om at sikre, at løsningen til Schrödingers ligning fører til et måleresultat, vi kan bruge til noget.

Den amerikanske matematiker Peter Shor foreslog i 1994 en computeralgoritme, der kan udnytte kvantefysikken til effektivt at finde primfaktorer i store tal, det vil sige de primtal, der ganget med hinanden giver det store tal.

Det er svært at finde faktorerne til meget store tal, og det udnytter man til at kryptere beskeder, for eksempel hver gang man bruger sin e-mail eller netbank.

I en hyppigt anvendt kode blandes en hemmelig tekst med et meget stort tal og bliver derved gjort ulæselig. Resultatet kan afkodes til den oprindelige besked ved en beregning, der kræver kendskab til det store tals faktorer – som kun den retmæssige modtager af beskeden forventes at have.

Disse krypteringssystemer kan altså brydes med en kvantecomputer, og især efterretningstjenester støtter derfor både offentlig og dybt fortrolig forskning i kvantecomputere.

LÆS OGSÅ: Fysikere skyder genvej til kvantecomputeren

Kvantecomputeren slår den konventionelle computer med længder

I 1997 supplerede den indisk-amerikanske datalog Lov Grover med en kvantemekanisk algoritme, der tillader effektiv søgning efter elementer i en database, og i de seneste år er der kommet fokus på kvantecomputerens evne til at løse svære problemer i fysikken og kemien.

Moderne industriel tilvirkning af medicin, kemiske stoffer og komponenter til energi- og miljøteknologier kræver forståelse af komplekse materialers opførsel på et mikroskopisk, atomart niveau, hvor det er meget vanskeligt at foretage præcise beregninger.

Med en særlig energieffektiv produktion af kunstgødning som eksempel viste en analyse for nylig, at en kvantecomputer ville kunne lave beregninger på få dage, som vil tage flere år på en konventionel computer.

LÆS OGSÅ: Kvantecomputere rykker tættere på

Det er en kunst at styre de enkelte atomer

Konstruktionen af kvantecomputeren, der regner ved hjælp af enkelte atomer, er en formidabel teknisk udfordring.

Erwin Schrödinger sammenlignede i 1950’erne ideen om at udføre rigtige forsøg på et enkelt atom med den absurde tanke at opdrætte fortidsøgler i zoologiske haver.

Absurd eller ej – de tekniske muligheder har udviklet sig, og fra omkring 1980 har man i fysiklaboratorier kunnet fange og studere atomer ved hjælp af magnetfelter og laserlys.

For at udnytte deres paradoksale egenskaber i en kvantecomputer skal man ikke alene kunne fange og iagttage disse kvantemekaniske partiklers opførsel, men også styre deres bevægelse og indbyrdes vekselvirkninger, ligesom vi styrer de elektriske strømme i en almindelig computerchip.

Blandt flere forslag til, hvordan det kan gøres, udviklede vi i Aarhus en protokol, hvor atomer fastholdes og flyttes rundt mellem hinanden ved hjælp af laserstråler. Når to atomer er tæt på hinanden, opstår de ønskede kræfter imellem dem, der udnyttes i beregningerne.

Men når vi flytter atomerne, skal vi passe på, at bølgerne ikke "skvulper" over, så de bliver tabt undervejs, eller de følgende regneoperationer giver forkerte resultater.

LÆS OGSÅ: Sådan bygger man en kvantecomputer

Når forskningen bliver til et computerspil

En udfordring i protokollen er, at det er svært at løse Schrödingers ligning for atomernes bevægelse og derfor endnu sværere at finde den bedste og hurtigste måde at flytte atomet.

Vi var derfor nødt til at lave computersimuleringer af, hvordan atomerne bevæger sig, afhængigt af hvordan laserstrålerne ændrer sig, og vi programmerede så computeren til at søge efter den bedste måde at kontrollere laserne.

Det viste sig at være en svær opgave for vores computer. Inspireret af forskningsprojekterne FoldIt og EyeWire, der havde omsat lignende problemer om proteinfoldning og hjernens opbygning til computerspil, tog vi vores computersimuleringer af atomerne og omdannede dem til spillet Quantum Moves.

I spillet vises laserstrålen, som flytter rundt på atombølgerne, som en brønd, der kan kontrolleres med computermusen eller en finger på en skærm.

Quantum Moves repræsenterer den abstrakte matematik, der ligger bag ved kvantefysikken, som en væske, hvis bølgeskvulp giver sandsynlighedsfordelingen for atomernes position.

Det er hermed gjort både muligt og rigtigt sjovt for helt almindelige mennesker uden kendskab til matematik og kvantefysik at hjælpe med at løse et svært forskningsproblem.

LÆS OGSÅ: Danske forskere viser en ny vej mod kvantecomputere

Spillere overgår computeren

Quantum Moves består af en række niveauer, der hver især fokuserer på en operation, som kan udføres i kvantecomputeren.

Et af de niveauer, vi især har fokuseret på at forstå, har vi kaldt BringHomeWater.

Her skal man flytte en tom brønd hen til en anden, fyldt brønd, samle atomet op og flytte det tilbage til start. Er der en lille barriere mellem brøndene, kan atomet ende op i den første brønd, lidt på samme måde som man med en såkaldt hævert kan flytte væske mellem to beholdere.

I kvantefysikken kan man gøre det uden hævert ved en tunneleffekt, som vores spillere ikke vil have kendskab til, med mindre de har taget et kursus i kvantefysik.

Når vi så ser på, hvordan spillerne klarer sig i BringHomeWater, finder vi to meget interessante resultater.

1. Det ene er, at spillerne helt uden problemer benytter tunneleffekten og altså har opnået en intuitiv forståelse for de underliggende mekanikker og udnyttet dem i praksis.
   
2. Et andet helt epokegørende resultat er, at spillerne finder løsninger, som er markant bedre end de løsninger, som vores computer finder frem til!

LÆS OGSÅ: Niels Bohr-forskere tager solidt skridt mod en kvantecomputer

Computerspil er gode værktøjer i undervisningen

Hvad er det, som gør, at mennesker igennem Quantum Moves kan finde bedre løsninger end computere?

Er det, fordi vi opnår en viden om kvantefysik ved at spille Quantum Moves, som vi kan udnytte?

Eller er det, fordi vi udnytter en særlig menneskelig evne for hånd-øje-koordination, som vi umiddelbart kan træne op til en helt ny situation?

Vi har endnu ikke noget entydigt svar, men der er klare indikationer på, at spillerne har lært noget om kvantefysik fra computerspillet.

Vi har således modtaget beskrivelser fra spillere af, hvordan de har løst problemerne, og selvom de ikke bruger det samme ordforråd, beskriver de deres løsninger med de samme mekanismer og iagttagelser, som en trænet kvantefysiker ville bruge.

Derfor har vi også brugt Quantum Moves i gymnasierne som en introduktion til kvantefysikkens forunderlige verden.

LÆS OGSÅ: Nobelpristager: Måske får vi aldrig en kvantecomputer

Ved at bruge spillet i undervisningen giver vi eleverne de visuelle værktøjer til at kunne arbejde konkret med atomfysiske problemstillinger, samtidigt med at spilelementerne både underholder og motiverer de studerende til at arbejde selvstændigt og eksperimenterende med materialet.

Vi arbejder nu på at udvikle spil, der er specifikt beregnet til undervisning. Et af vores mål er at lave en række spil, der fører den studerende hele vejen fra klassisk fysik op til, at man kan forstå, hvordan en kvantecomputer virker.