【市民科学】ゲーマーが量子物理学の問題を解く
Nature
アルゴリズムだけでは容易に解けない量子物理学の問題をオンラインコンピューターゲームのプレーヤーが解いていることを報告する論文が、今週掲載される。市民科学ゲームは、タンパク質の折りたたみとニューロンマッピングなどの科学的活動を推進する上ですでに成功を収めているが、量子物理学に応用されたことはなかった。
量子計算に関連した演算は、機能性を確保するために、実行時間を非常に短くすることが必要とされるが、実行時間が短すぎると、演算の精度が低下することがある。今回、Jacob Shersonたちは、Quantum Movesというオンラインゲームプラットフォームを開発した。Quantum Movesでは、こうした演算の一部がゲームになっており、すでに約10,000人のプレーヤーによって約50万回プレーされている。そうしたゲームの1つであるBringHomeWaterでは、量子計算演算に関連する最適化問題の解を見つけるため、ユーザーは原子を集めて、目標領域にできるだけ速く動かすことが求められる。このゲームのユーザーは、原子を動かすために、強く集束されたレーザービーム（いわゆる「光ピンセット」）を用いる。「（コンピューター画面上に水として描かれた）原子を速く動かそうとすると、取りこぼしが起こりやすくなる。従って、プレーヤーは、取りこぼしを起こさずに原子を最も速く『持ち帰る』方法を見つけなければならない」と同時掲載のNews & Views記事でSabrina Maniscalcoが説明している。
Shersonたちは、純粋な数値最適化手法ではうまくいかないのに、このゲームのプレーヤーが成功を収めていることを明らかにし、著名で定評のある数値最適化手法より良い結果が得られるプレーヤーの戦略に基づいた新しい最適化手法を示している。今回の研究結果は、ゲーミフィケーション（ゲーム以外の状況下でゲームの要素を応用すること）が量子物理学の分野で複雑な問題を解決する上で有効な道具となることを確認している。
Online computer games that allow human players to solve a class of problems in quantum physics thatcannot be easily solved by algorithms alone,are reported ina study in this week’s Nature. Citizen science games have already proved successful in advancing scientific endeavours such as protein folding and neuron mapping. However, this approach had not previously been applied to quantum physics.
Operations associated with quantum computing require very short execution times to ensure functionality. However, if these times are too short, the precision of the operation can be compromised. Jacob Sherson and colleagues developed an online game platform called Quantum Moves, in which some of these operations are presented as games. These games have been played about 500,000 times by roughly 10,000 players. In one of the games, BringHomeWater, the user is prompted to collect and move atoms to a target area as quickly as possible, in order to find a solution to an optimization problem associated with a quantum computing operation. In this game the user moves atoms using a tightly focused laser beam, a so-called ‘optical tweezer’. “The faster the atom is moved, the easier it is to spill the water. The players thus have to find the fastest way to ‘bring home’ the atom without losing it (spilling the water)”, explains Sabrina Maniscalco in an accompanying News & Views article.
The authors find that players succeed where purely numerical optimization fails, and they present a new optimization method based on the observed player strategies that outperforms prominent, established numerical methods. These results confirm that ‘gamification’ - the application of game elements in a non-game context - is an effective tool for solving complex problems in the field of quantum physics.
doi: 10.1038/nature17620
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