Quanteninformation

Zugegebenermaßen sind Spiele einer der häufigsten Einsatzzwecke von Computern, und die historische Entwicklung von Computerhardware wurde nicht unwesentlich von Spielen beeinflusst. Beispielsweise dienen heutige High-End-Grafikkarten vor allem der Berechnung von komplexen Grafikeffekten in 3D-Spielen. Fast beiläufig wurde es ermöglicht, diese brachiale Rechenleistung für produktive Zwecke einzusetzen: Dank Schnittstellen wie OpenCL oder CUDA können Grafikkarten Berechnungen in bestimmten Bereichen wie Kryptographie, Molekulardynamik, Fluiddynamik und Verteiltes Rechnen enorm beschleunigen.

Was Quantencomputer betrifft, so glauben einige Leute am National Institute of Informatics (NII) in Tokio, dass wir die umgekehrte Richtung einschlagen können: Durch das Spielen eines Computerspiels können wir die Entwicklung von Fehlerkorrekturmechanismen unterstützen, welche zum Ausführen von Berechnungen auf einem fehlertoleranten Quantencomputer benötigt werden. Die NII Forschungsgruppe entwickelt ein Handy-Spiel, dessen Ziel es ist, die Oberflächen-Codes, die von topologischen Quantencomputern verwendet werden, zu kompaktifizieren. Um ein Beispiel zu nennen, kann der links abgebildete Quantenschaltkreis von dem in der Mitte gezeigten Oberflächen-Code implementiert werden. Die weißen und schwarzen Schleifen im Oberflächen-Code entsprechen logischen Qubits, und Quantengatter wie das CNOT-Gatter entsprechen der Verflechtung der Schleifen. Zu den Details, wie solche Codes dem physikalischen System entsprechen, verweise ich auf arXiv:1209.1441 und arXiv:1209.0510 (aus diesen wurden auch die drei nachfolgenden Abbildungen entnommen).

qubit cicuit qubit code 1 qubit code 2

Der rechts abgebildete Code zeigt eine stark komprimierte Variante desselben zugrunde liegenden Schaltkreises, und ist aus dem Code in der Mitte durch eine Reihe von Schaltkreis-erhaltenden Transformationen hervorgegangen. Ein Beispiel von Schaltkreis-erhaltenden Transformationen sind diejenigen Transformationen, welche die Topologie der Schleifen und Verflechtungen im Oberflächen-Code erhalten. Daneben gibt es aber auch nichttriviale Transformationen, und das Ziel des Spiels ist, durch Ausführen solcher Transformationen das Volumen des Oberflächen-Code zu minimieren. Man kann sich davon mit Hilfe des Trailers auf der offiziellen Homepage oder auf YouTube eine Vorstellung machen:

 

 

Das Reduzieren der Codegröße von wichtigen Schaltkreisen wie z.B. derjenigen zur Durchführung von Purifikationen, hat ein riesiges Potenzial, die notwendigen Ressourcen (räumlich wie zeitlich) für fehlertolerante Implementierung von Quantenalgorithmen zu reduzieren. Jedoch ist wenig bekannt über die besten Strategien zur Komprimierung von Oberflächen-Codes, und an diesem Punkt kommen sowohl andere Wissenschaftler als auch Gelegenheitsspieler ins Spiel: Ihre Fortschritte werden online aufgezeichnet, was Gimmicks wie Bestenlisten oder die Benachrichtigung der Projektleiter bei Entdeckung neuer Kompaktifizierungsstrategien ermöglicht. Die Entdeckung solcher Strategien wäre hilfreich für die Entwicklung von Compilern zur automatischen Übersetzung von Quantenalgorithmen in effiziente Oberflächen-Codes von minimaler Größe. Und das Beste ist, dass einem die Entdeckung besonders effektiver Kompaktifizierungen eine Mitautorenschaft bei einer wissenschaftlichen Publikation sichern kann!

Während eines Vortrags einer der Projektleiter, Simon Devitt, am CQT konnte ich eine Vorabversion des Spiels ausprobieren. Das Spiel basiert auf Touch-Eingabe, und wird für Android- und Apple-Handys sowie Tablets verfügbar sein. Die 3D-Engine war voll funktionsfähig, und Manipulationen des Codes waren bereits möglich. Der Fahrplan sieht folgendermaßen aus: Eine geschlossene Beta-Version für die wissenschaftliche Gemeinschaft soll im Laufe dieses Monats erscheinen. Die Rückmeldung und das "Peer-Review" von Forscherkollegen sollen sicherstellen, dass mögliche Schnitzer (z.B. bei der Implementation der gültigen Code-Transformationen) erkannt und behoben werden können. Später in diesem Frühjahr wird das Spiel mit einer stark verbesserten Benutzeroberfläche für die Öffentlichkeit freigegeben.

Hinweis (13 Nov 2014)

Dieser Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf dem QuantumBlah Blog des Centre for Quantum Technologies der National University of Singapore veröffentlicht. Seitdem wurde das Spiel in "meQuanics" umbenannt und eine Alpha-Version ist erschienen.