《自然》:在量子物理游戏中,凭直觉人类比计算机更胜一筹

自然杂志

2016-04-22 07:43 来源:澎湃新闻

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量子世界显然是违背人类直觉的:粒子在同一时刻,可以存在于两个位置。现在,有一群科学家创造了一个专供普通人玩耍的电子游戏,该游戏遵循量子物理的基本规则。
游戏的测试结果大跌眼镜:人类通过直觉更能抓住量子世界的规则。而且人类玩家比物理学家提前输入的玩法还要更胜一筹。对于这样的结果,该项目的发起人丹麦奥胡斯大学(Aarhus University)的物理学教授Jacob Sherson认为:“可能我们需要将这种正常的本能反应,加入到我们的研究中。”量子研究基金会的科学家很早之前就说过,可以找到一个更直观的方法来破解量子物理学中的难题。此前,很多人怀疑在没有新理论的帮助下,这是很难实现的。
这款游戏的最终目的是完成量子计算机中的逻辑运算。在游戏里,玩家需要快速地用可控的方式来移动“光学镊子”——这很困难,因为在量子世界里,速度和能量受到海森堡的不确定性原理的限制。因此对于游戏来说,关键是要找到一个能尽可能快速地从一个地方移到另外一个地方的方法,同时又不会干扰到量子的状态。既保持运动又限时,可能会存在许多无端的组合,科学家已经让计算机的算法来解决这个问题。
游戏中,玩家手指(黑色指针标示处)触碰的地方会形成一个波谷,玩家要用这个新的波将右边波里的液体带回起点,液体象征处于量子状态的原子。玩家必须找到一条路径,以最快的速度实现液体完好转移,避免出现上图中最底下一幅的情况:仍然有液体残留在右边的波里。这个游戏情景很好地模拟了量子算法所需,让能量(液体)保持不变的情况下,从一个地方尽快转移到另一个地方(从右边的波转移到左边的波)。
The Verge 图
Sherson的团队让300个人在ScienceAtHome的平台上自愿玩了12000次这个游戏。然后,为了进一步细化计算机的算法,研究人员将人类的解决方法反馈给电脑。把人类玩家的解决方案输入计算机进行优化后,超过半数的优化结果都要优于计算机原来的算法。同时,研究者将人类玩家解法和计算机算法相结合,得出了混合算法。其中,最优的两种混合算法比单凭计算机产生的最优算法要快很多。“当我们看到结果的时候,我完全震惊了。” Sherson说。
人类给这个游戏带来了什么目前还不清楚。虽然对物理学感兴趣与游戏能力存在相关性,但成功并没有与学习量子物理学的年限相关。Sherson认为,人类策略之所以优于计算机算法,是因为人类更能把握问题的本质。对于人类来说,游戏中的量子概念可能比书本中的概念更容易掌握。相对于计算机,在游戏当中,人类玩家可以尝试与现实世界不同的解决方案,或许正是这种跳出常理外的思维,也就是直觉帮助了他们,芬兰图尔库大学的量子物理学研究者 Sabrina Maniscalco说。
对于Sherson来说,这样的研究结果给了物理学家启示:可以更多地利用自己的直觉。“我们应该尝试用更加自然和直观的方法来解决问题。”为此,他的团队正在构建一个新的游戏版本,物理学家可以调整方案来形成不同的解决方法,这个游戏也让他们对工作有了新的潜在认识。
其他量子物理研究者也表示,他们对普通人能靠直觉解决量子物理问题感到意外。但这一结果本身并非出乎意料,因为科学家也经常凭直觉解决量子物理问题,至少在数学层面上如此。玩游戏时,人们才可能会用直觉的方式。目前在剑桥任教的MIT物理学家Seth Lloyd说,他注意到婴儿在学会期待和某一东西待在一起前,也具有量子直觉。“在三个月前,如果东西消失了,他们会想东西是如何在世界上存在的。三个月后,他们会想,玩具又去哪里了。”
Lloyd还认为,量子移动游戏的成功主要是因为它设计巧妙,能成功地将量子转换问题视觉化,但如果是更复杂问题,可能并不一定会成功。
物理学家正在开发量子计算的各种算法,已经有人将其应用到图形界面中,用以帮助提高现有的解决方法,马里兰大学派克分销理论物理学家Charles Tahan说。
Tahan也认为,通过游戏培养量子直觉非常有用。他开发了另一款叫做《机械师》的游戏,可以获取玩家基本的量子计算直觉。他希望这款游戏也可以提高学生的能力,并帮助其找到在该领域拥有自然天赋的人。
(澎湃新闻记者 王心馨编译)

什么是量子计算
要理解量子计算,可以先想像一下下面这样的场景。
你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”,这几乎是不可能的,因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中,每个现实都可以查看不同的书籍,你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中,普通计算机就是像疯子一样的那个你,需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个,每个只需翻找一本书即可。
量子计算的可能性最早由物理学家理查德·费曼提出。他曾对量子计算有过这样的描述:“如果你自以为已经理解了量子物理学,实际上你并未真正理解它。” 简单的理解就是,普通计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题,而量子计算机却可以同时解决多个问题。
量子计算的惊人颠覆
理解了量子计算后,它还能解决复杂得多的问题。在寻找问题解决方案的时候,它们与人类极为相似,这将令它们可以执行许多人类才能胜任的工作。
美国主流网络媒体BI还曾评选出量子计算机最令人激动的7大应用。分别是提供更为精准的天气预报、更高效地发现新药、治理交通拥堵、加强军事和国防、更安全的加密通信、加速太空探索以及帮助机器学习和自动化。
谷歌工程主管哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)认为,量子计算机可以帮助建立更好的气象模型,这可以让我们更深入地了解人类如何影响环境,并帮助我们确定现在能够采取哪些措施,以便能预防灾难发生。
除此之外,在新药的研发、人类基因分析排序上,量子计算都能发挥巨大作用。因为量子计算机可以绘制出数以万亿计的分子组合模式,并迅速确定最有可能生效的组合。新药的开发是一个漫长且复杂的过程,化学家们需要进行无数不同分子组合方式试验,以找到可真正有效治愈疾病的药物特性。这一过程可能需要数年时间,耗费数百万美元资金。但有了量子计算后,可以大大节省研发成本和药物研发时间。
同时,量子计算还能简化空中和地面交通控制的工作量,因为量子计算本质上是一种最优路径选择。它可以同时计算所有路线的长度,并以更快的速度筛选出最佳路线。这样一来,就可以在高速公路和复杂的城市公路网中避免拥堵。
正如前面所举的例子,量子计算可以在多任务、复杂且混乱的资料中找到具体细节,因此该技术还可以运用到关键情报的删选中。在此之前,卫星不断收集的大量照片和视频资料可能因计算能力有限而被过滤掉,但有了量子计算后,这种情况将得到改变,从而提高军事和国防的安全性。
责任编辑:李跃群澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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