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Quantenphysik : Die Maschine und ihre Meister

  • -Aktualisiert am

Spielen im Dienste der Wissenschaft: Das Ziel ist es, in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Wasser zu transportieren. Bild: ScienceAtHome

Im Kollektiv lösen Physik-Laien schwierige Quantenrätsel schneller als jeder Computer – mit dem Videospiel „Quantum Moves“ und menschlicher Intuition.

          Mit menschlicher Intuition lassen sich schon viele komplizierte Probleme lösen, an denen selbst die leistungsfähigsten Supercomputer scheitern. Diese natürliche Fähigkeit des Homo sapiens kann man zur Beantwortung wissenschaftlicher Fragestellungen nutzen, indem man diese in Form eines Videospiels präsentiert. Voraussetzung ist, dass möglichst viele Probanden mitspielen.

          Auf diese Weise hat man bereits die komplizierte Faltung von Proteinen erforscht oder die Verteilungen von Neuronen im Gehirn simuliert. Aber auch knifflige Aufgaben der Quantenphysik, bei denen der menschliche Intellekt allein versagt, lassen sich auf spielerische Weise mit „Citizen Science“ - Forschung mit Bürgerbeteiligung - lösen, wie jetzt Forscher der Universität Aarhus in der Zeitschrift „Nature“ gezeigt haben.

          Die Wissenschaftler um Jacob Sherson beschäftigten sich mit der Frage, wie sich die komplizierten Rechenoperationen eines zukünftigen Quantencomputers optimieren lassen. Während ein herkömmlicher Computer mit Bits rechnet, verarbeitet ein Quantencomputer sogenannte Quantenbits. Diese Qubits können gleichzeitig die binären Werte 0 und 1 annehmen. In der Praxis werden Qubits etwa in den Quantenzuständen von Atomen gespeichert. Die Atome werden beispielsweise mit sich überlagernden Laserstrahlen, die ein Lichtgitter aufspannen, an bestimmten Orten fixiert. Dabei sind die Atome ähnlich wie Murmeln in den Mulden eines Eierkartons in sogenannten Potentialmulden gefangen.

          Beim Videospiel „Quantum Moves“ muss man möglichst schnell so viel Wasser wie möglich mit einer beweglichen Mulde (Mitte) aus einem Vorratsbehälter (rechte Mulde) in einen Sammelbehälter (linkes Rechteck) transportieren. Damit löst man das Quantenproblem, wie man ein Quantenbit sicher transportiert.

          Für quantenmechanische Berechnungen mit den Qubits bestrahlt man die Atome gewöhnlich mit einer festgelegten Sequenz von Lichtpulsen. Man kann die Teilchen aber auch in bestimmter Weise miteinander wechselwirken lassen. Dazu ergreift man ein Atom mit einem gebündelten Laserstrahl - einer optischen Pinzette - und transportiert es in die Nähe eines anderen Atoms. Ist der Austausch von Quanteninformation und die Rechenoperation erfolgt, bringt man das erste Atom wieder zurück an seinen Ausgangsplatz. Dort steht es bereit für den nächsten Rechenschritt.

          Wasser hin- und hertransportieren

          Wie schnell man das Atom transportiert, entscheidet über den Erfolg der Operation. Bewegt man es zu langsam, so haben äußere Felder ausreichend Zeit, das Qubit zu zerstören, noch bevor die nächste Operation beginnt. Bewegt man es zu rasch, kann das Quantenbit noch schneller verlorengehen. Damit das Qubit beim Transport unversehrt bleibt, muss man das Atom innerhalb einer Mindestzeitspanne bewegen. Die Suche nach dieser kritischen Zeit und nach der entsprechenden optimalen Transportweise ist allerdings ein schwieriges quantenmechanisches Problem, das auch von speziellen Optimierungsprogrammen bisher nicht befriedigend gelöst werden kann.

          Hier hilft nun das Videospiel „Quantum Moves“ weiter, das Sherson und seine Kollegen entwickelt und für jedermann frei zugänglich gemacht haben (www.scienceathome.org). Die zu bewältigende Aufgabe klingt leicht: Es gilt Wasser, das sich in einem Vorratsbehälter befindet, mit einer Art Eimer aufzunehmen und zu einem Sammelbehälter zu transportieren. Hierbei stellt das sich im Eimer befindliche Wasser ein Atom dar, das in einer Potentialmulde sitzt.

          Der Cursor, mit dem der Spieler den Eimer beziehungsweise die Potentialmulde hin- und her bewegt, entspricht der optischen Pinzette. Das Tempo, mit dem man den Eimer beim Spielen hin und her bewegt, beeinflusst, wie viel Wasser in den Sammelbehälter gelangt.

          Menschliche Intuition

          Das Ziel ist es, in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Wasser zu transportieren. Dabei können Quanteneffekte auftreten, die das Verhalten der Spieler beeinflussen. So kann das Wasser (Atom) aus dem Vorratsbehälter in den Eimer (Potentialmulde) gelangen, in dem es plötzlich, ohne dass der Spieler dies beabsichtigt, quantenmechanisch aus dem Behälter in den Eimer „tunnelt“.

          Physik-Laien besiegen Computer

          Die Wissenschaftler um Sherson haben das Spiel von 300 Physik-Laien insgesamt 12.000 Mal spielen lassen. Dabei wurden die jeweils benötigte Transportzeit und die insgesamt transportierte Wassermenge registriert. Letztere entsprach der Erfolgsquote, mit der das atomare Qubit in einem Quantencomputer von einem Gitterplatz zum anderen bewegt wurde.

          Wie die Forscher in „Nature“ schreiben, lieferten viele Spieldurchgänge bessere Ergebnisse als Computerberechnungen mit einem speziellen Optimierungsprogramm. So ließen sich die Qubits in einer deutlich kürzeren Zeit sicher transportieren, als es der Computer vorhergesagt hatte.

          Die Spieler hatten also intuitiv bessere Transportstrategien gefunden als der Computer. Mit Hilfe dieser intuitiven Strategien konnten die Forscher ihrem Optimierungsprogramm neue Startwerte und Suchverfahren geben, die dann zu einem noch besseren Ergebnis führten. Das Zusammenspiel von menschlicher Intuition und computergestützter Optimierung erwies sich somit als äußerst erfolgreich. Nun wollen die Forscher herausfinden, ob man diese Herangehensweise auch auf andere schwierige Fragestellungen aus der Quantenphysik anwenden kann.

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