211service.com
Hoe kwantumprogrammering veranderde in een 3D-puzzelspel
Software is het deel van een computer dat bestaat uit gecodeerde informatie en instructies. Het staat volledig los van de hardware: de fysieke structuren die deze instructies uitvoeren. Dat geldt tenminste voor conventionele computers.
Maar de laatste jaren zijn computerwetenschappers steeds meer gefocust op kwantumcomputers die de vreemde wetten van de kwantummechanica gebruiken om informatie te verwerken. Dit resulteert in veel krachtigere berekeningen. In de kwantumwereld is het echter veel moeilijker om de software en de hardware te scheiden.
Niettemin begint er een krachtige nieuwe manier van denken over kwantumsoftware te ontstaan. En het merkwaardige van deze benadering is dat het kwantumprogrammering verandert in een soort 3D-puzzel. Dat leidt tot een interessante vraag: is het mogelijk om kwantumprogramma's te gamificeren op een manier die bruikbare resultaten oplevert?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Simon Devitt van Riken in Saitama, Japan, die een online game heeft gebouwd die het potentieel heeft om een cruciale rol te spelen in de toekomst van kwantumprogrammering. Het spel kan niet alleen mensen helpen betere programma's te maken, maar het kan ook een nieuwe generatie kunstmatige-intelligentiemachines helpen om de taak zelf op zich te nemen.
Eerst wat achtergrond. Een manier om over een kwantumprogramma na te denken is als een tweedimensionaal rooster van qubits, zoals een blad, of een driedimensionaal rooster, zoals een kristal. Informatie wordt gecodeerd door een gat of defect in het rooster te maken.
Dit is een krachtige benadering omdat de informatie van nature wordt beschermd tegen fouten door de eigenschappen van het rooster zelf, waardoor het effectief op zijn plaats wordt vergrendeld.
De informatie kan worden verwerkt door defecten door het rooster te verplaatsen en om elkaar heen te wikkelen, als een verwarde bol touw. Het proces van verstrengeling kan logische poorten activeren die samen berekeningen uitvoeren.
Dit is in wezen een topologisch proces. Dus de wiskunde van de topologie beschrijft het hele proces, ongeacht hoe rommelig het kluwen wordt. Zolang de roosters topologisch identiek zijn, doen de andere details van de verstrengeling er niet toe.
Dit is analoog aan de beroemde link tussen een donut en een koffiekopje. Deze vormen zijn heel anders om naar te kijken, maar zijn topologisch identiek omdat ze allebei een enkel gat bevatten. Elk kan in het andere worden omgezet door te knijpen en uit te rekken, maar niet door te scheuren.
Precies hetzelfde geldt voor kwantumprogramma's. Twee programma's voeren dezelfde taak uit, op voorwaarde dat ze topologisch identiek zijn, maar ongeacht hoe verward de roosters worden.
Dat roept een interessant probleem op. Gegeven een verward rooster dat een kwantumcomputerprogramma vertegenwoordigt, hoe eenvoudig kan het worden gemaakt met behoud van de topologie? Met andere woorden, hoe kan het kwantumprogramma worden geoptimaliseerd?
Dat is belangrijk, want de huidige kwantumcomputers kunnen maar een paar qubits aan. Met zo schaarse kwantumbronnen, hoe eenvoudiger een programma kan worden gemaakt, hoe gemakkelijker het kan worden geïmplementeerd.
Dit is waar Devitt tussenbeide komt. Hij heeft een krachtige manier ontwikkeld om kwantumprogramma's te visualiseren als 3D-roosters met in elkaar grijpende secties die de manier weergeven waarop informatie wordt opgeslagen en verwerkt. De taak van optimalisatie is om het rooster te vereenvoudigen door de in elkaar grijpende secties te verplaatsen, te verkleinen, uit te rekken en opnieuw te bewerken met behoud van dezelfde topologie.
Devitt's is verder gegaan door de taak te gamificeren - hij heeft er een webgebaseerde puzzel van gemaakt genaamd MeQuanics, die je hier kunt proberen . Het idee achter het spel is dat een kwantumprogramma je ruimtevaartuig kan aandrijven. Maar het programma dat je hebt is te groot en moet daarom kleiner worden gemaakt met behulp van verschillende tools die het kunnen herontwerpen.
Het spel is fascinerend en niet zo verschillend van verschillende andere puzzelaars. Het is een beetje buggy, maar het ziet er goed uit en is het proberen waard als je een paar minuten hebt.
Er is nog een verborgen aspect aan het spel. Een manier om het proces van het optimaliseren van kwantumprogramma's te versnellen, is door een algoritme voor machine learning te trainen om het werk te doen. Deze algoritmen zijn enorm succesvol geweest in andere taken en dit soort optimalisatie lijkt bij uitstek geschikt.
Maar er is een probleem. Deze algoritmen moeten worden getraind en dat vereist een grote dataset aan voorbeelden waar ze van kunnen leren. De optimalisatie van kwantumprogramma's is echter zo nieuw dat er geen geschikte datasets voor deze taak zijn.
Daarom is MeQuanics belangrijk: het proces van het spelen van het spel creëert een database met voorbeelden die kunnen worden gebruikt om een machine te trainen. En met voldoende gegevens zouden de machines uiteindelijk beter moeten presteren dan mensen. Het AlphaGo-programma van Google liet zien hoe krachtig ze kunnen zijn toen het onlangs een van de beste menselijke Go-spelers afranselde na het verslinden van een enorme dataset van online gespeelde Go-games.
Devitts is interessant werk dat de potentie heeft om een nieuwe generatie mensen kennis te laten maken met kwantumprogrammering. En het beste van alles is dat ze plezier hebben terwijl ze leren.
Referentie: arxiv.org/abs/1609.06628 : Quantumcomputers programmeren met 3D-puzzels, koffiekopjes en donuts