量子力学游戏 Quantum Moves [转载]

本文转载自环球科学:玩了这个量子力学游戏,你也能成为物理学家!

在非物理学专业人士看来,量子力学好像既艰深又玄妙,但这个游戏可以让你轻松上手解决一类量子问题,你的解答还会为科学家研究真正的科学问题添砖加瓦。据说外行反而要比学过的更娴熟。

在量子世界中,粒子可以同时出现在两个地方,这看起来有些违反直觉。而就在前几天,丹麦奥胡斯大学的科学家开发了一款叫做“量子移动”(Quantum Moves)的游戏,Windows版、iOS和安卓版都有(Windows版下载页面链接,苹果App Store下载链接,Google Play下载链接,全免费)。游戏的目标是在一个量子阱中想办法移动一汪晃荡的“液体”,其过程遵循量子力学的规律,但每个人都能上手,游戏数据会成为科学家研究量子物理问题的参考。数据表明,非物理科班出身的玩家们在其中反而表现得出色。这一研究成果发表在4月13日的Nature上(J. J. W. H. Sørensen et al. Nature 532, 210–213; 2016)。

这个游戏是如今科研“众包”的尝试之一。所谓科研“众包”,就是通过游戏化的方法,发动广大人民群众的力量,共同解决一个科学问题。过去,这种游戏化的项目局限在像蛋白质折叠这种有挑战性但不那么烧脑的问题上,但如今这一努力现已拓展到了量子物理学的领域。

这项工作也告诉我们另一点,就是我们人类思维把握“诡异”的量子世界规则的能力,或许比我们想象中的要强得多。奥胡斯大学的量子物理学家,该项目的领导者雅各布·舍森(Jacob Sherson)认为,这一发现可能会影响科学家研究量子物理的方法。他表示:“也许我们应该在研究量子物理问题时应当使用一些常规的直觉。”无独有偶,研究量子力学基本问题的科学家也一直认为,用更直观的方法处理量子物理,可能有助于破解一些悬而未决的谜题,虽然有许多人认为在没有新理论帮助的情况下这是不可能实现的。

这款名叫“量子移动”的游戏是基于量子计算中的一个真实问题:如何最快地用激光在量子阱(类似鸡蛋盒一样的结构)间搬运原子,同时保证处于脆弱量子态中的原子能量不发生改变?量子世界里,粒子的位置和能量在海森堡不确定性原理的限制下相互制约,所以游戏的诀窍就在于:尽可能快地找到从一点转移到另一点转移的最佳位置(sweet spot),同时不能干扰到量子态。不同的动作和时机会产生无穷无尽的组合,科学家们已经设计了计算机算法试图解决这个问题。

游戏中,一个原子看起来就像是在量子阱里晃荡的一汪液体,这也反映出了微观粒子的波动特性。在某一个关卡种,玩家需要移动光标去控制第二个量子阱,让它从第一个量子阱收集原子并把它们带回“基地”。原子的行为虽然看起来类似液体,但它也要遵循量子力学规律,而不是真像一桶水那样。举例来说,为了拾取这些原子,玩家可以使用“量子隧道”让它从一个阱“隧穿”到另一个阱,而这也是需要玩家去学习和适应的东西。一旦玩家找到搬运原子的方法,接着计算机就能将这个搬运过程转化为真实世界中“量子鸡蛋盒”对应的解。

在一个叫做ScienceAtHome的研究志愿者平台上,有大约300位玩家总共玩了12000次舍森团队的这一关卡。接下来,研究者们把这些解决方案输入计算机进行进一步精炼。结果发现,玩家们想出的方法中有超过一半比仅由计算机算法生成的方法更有效,而且,将玩家想出的两个最好的方法进行混合,结果比纯计算机生成的方法中最快的还要快。“这些结果真的让我们吃了一惊。”舍森说道。

科学家尚不清楚人类究竟具有何种特殊能力,能如此擅长于这一游戏。不过他们发现,尽管对物理学有兴趣的人似乎可以玩得更好,但玩得好的却不见得是花了很多年学了量子物理的人。(清华物理系的译者表示这句话让他很伤心。)

舍森认为,人类策略之所以更占优势,是源自于我们大脑抓住问题核心的能力。来自芬兰图尔库量子物理中心的萨布里纳·马尼斯卡尔科(Sabrina Maniscalco)补充了一点:相比于其他环境,在游戏里,量子力学的概念似乎更容易让人接受,这可能是因为在游戏这种特殊的环境下,出现打破规则、违反直觉的事情也不会让人感到奇怪。他也参与了另外一个用游戏促进量子物理研究的项目。

对舍森而言,这些结果也表明,物理学家可以多用用他们的直觉。“我们应该试着更多地凭着直觉去处理量子问题。”他说道。为了这个目的,他的团队正在设计新一版的游戏,可以让物理学家们根据不同的结构去塑造不同的场景,这也可以为他们的研究提供新视角。

在另一些量子物理学家看来,虽然人们可以形成对量子过程的直觉似乎令人惊讶,但其实至少在数学层面上,科学家已经在用这类直觉解决量子问题了。来自麻省理工学院的物理学家塞思·劳埃德(Seth Lloyd)认为,通过玩这个游戏,人们就可能获得一种“量子直觉”。他表示,婴儿原先就拥有一种“量子直觉”,只是这种直觉在他们学会预判一个物体会待在哪之后就失去了。“三个月大之前,如果玩具消失了,他们会猜测在这个世界中原本东西就是可以随时消失的,但他们长到三个月大以后后,他们就会想:‘玩具去哪了?’”

劳埃德同时也认为,“量子移动”这一游戏的成功归功于它巧妙的设计:它成功地将量子问题翻译成了一种可视的问题,但这种做法对于更加复杂的量子问题可能并不适用。来自马里兰大学帕克分校的理论物理学家查尔斯·塔汉(Charles Tahan)表示,研究量子计算算法的物理学家们已经将图形界面玩得很熟,并开始用它们来改进现有的解决方案。

但是塔汉认为通过游戏来传授量子直觉也不无裨益。他也开发了另一款游戏叫做“Mequanic”,让玩家们做一些基本的量子计算,同时也能培养他们的直觉,以此知晓一些量子规律。他希望这款游戏能提升学生们的能力,或许还能发掘一些在该方面天赋的人才。

撰文 伊丽莎白·吉布尼(Elizabeth Gibney)
编译 王凌霄
审校 王乐

Nature原文链接:http://www.nature.com/news/human-mind-excels-at-quantum-physics-computer-game-1.19725


游戏下载地址:https://www.scienceathome.org/games/quantum-moves/game
其他类似游戏:http://alternativeto.net/software/quantum-moves/
Science的地址:http://www.sciencemag.org/news/2016/04/humans-best-computers-atom-snatching-game


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