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Hallo Quanten! Basler Physiker entwickelt Spiele-App mit IBM
Quantencomputer besitzen eine Aura des Mystischen, nicht Verstehbaren. Das Spiel «Hello Quantum» soll das ändern. Der Quantenphysiker James Wootton von der Universität Basel hat diese App gemeinsam mit IBM entwickelt.
22. Juni 2018
Eigentlich ist es ganz einfach. Auf dem Bildschirm der App «Hello Quantum» erscheint ein Spielfeld aus acht Quadraten. In jedem dieser Felder sitzt ein Kreis, entweder schwarz oder weiss gefüllt – oder ungefüllt. Schwarz steht für den Wert Null, weiss für Eins, der ungefüllte Ring für «unsicher». Die letzte Eigenschaft ist charakteristisch für Quantenbits, denn ein Qubit kann Zustände zwischen Null und Eins annehmen. Erst eine Messung sorgt dafür, dass das Qubit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit entweder zu Null oder Eins wird. Diese merkwürdige Eigenschaft ist typisch für die Quantenwelt. Sie ist der Schlüssel für die überlegene Macht von Quantencomputern beim Lösen mancher komplexer Probleme.
Quantencomputing sinnlich erfahrbar machen
Noch ist das Theorie. Quantencomputer stehen am Anfang ihrer Entwicklung. «Hello Quantum» soll jedoch das Rechenwerk eines Quantencomputers bereits sinnlich erfahrbar machen. Designt ist die App für alle, die keine Ahnung von Physik haben, aber neugierig sind. Man kann damit spielen, sich über zunächst mystisch anmutende Effekte wundern und bei Interesse den wissenschaftlichen Hintergrund nachlesen. Wer sich traut, kann sogar einen echten cloudbasierten Quantencomputer ausprobieren: «Hello Quantum» weist den Weg zu IBM Q – dem weltweit ersten, öffentlich zugänglichen Quantencomputer. Mit fünf Qubits können registrierte Nutzer verschiedene Algorithmen, Experimente und Simulationen ausprobieren, um die Möglichkeiten der Quantentechnologie zu erkunden.
«Wir hoffen, dass ‹Hello Quantum› die Neugier weckt», erklärt James Wootton. Der theoretische Physiker der Universität Basel forscht selbst an Konzepten für Quantencomputer und benutzt dazu auch IBM Q. Wootton ist der wissenschaftliche Mastermind hinter der App, die IBM nach seinen Vorgaben entwickelt hat – bislang allerdings nur für iOS-Geräte von Apple. Die Hintergründe der Zusammenarbeit beschreibt Wootton näher in einem Blogbeitrag.
Vier Levels mit steigendem Schwierigkeitsgrad
Aber zurück zur Theorie: Damit ein Quantencomputer rechnen kann, benötigt er sogenannte Quantengatter. Jedes Gatter steht für eine Quantenoperation, die die Qubits auf eine spezielle Weise manipuliert. Bei «Hello Quantum» sind diese Gatter um das Spielfeld mit den Qubits herum angeordnet und mit ihnen verbunden.
Das Ziel des Spiels besteht darin, vorgegebene Muster an weissen und schwarzen Kreisen zu erreichen – durch möglichst wenige, geschickt kombinierte Gatteroperationen. Drei Levels führen drei grundlegende Quantengatter mit steigendem Schwierigkeitsgrad ein. Das letztere, ein sogenanntes CZ-Gatter, nutzt die Quantenverschränkung – die seltsamste Eigenschaft der Quantenwelt. Sie soll Quantencomputer zu ihrer überlegenen «Rechenkraft» verhelfen, indem sie mehrere Qubits in einen gemeinsamen Quantenzustand bringt. In einem vierten Level kann man das Gelernte auf schwierigere Puzzles anwenden.
All das kann man durchspielen, ohne irgendetwas über Quantenmechanik zu wissen. Für Neugierige, die tiefer einsteigen wollen, hat Wootton ein anschauliches Tutorial über die ersten Schritte zum Quantenrechnen geschrieben. Es führt auch in die grafische Benutzeroberfläche von IBM Q ein. Dieser sogenannte Quantum Composer bietet noch weitaus mehr Quantengatteroperationen an.
Quantencomputer stecken zwar noch in den Kinderschuhen, doch Wootton denkt weiter in die Zukunft hinein. Ihm sind die eingefahrenen Gleise bewusst, in denen Forscher fast zwangsläufig agieren. Mit «Hello Quantum» erhofft er sich, dass Menschen ohne wissenschaftlichen Hintergrund beim Spielen völlig neue Anwendungsmöglichkeiten entdecken. «Public Science» hat auf anderen wissenschaftlichen Gebieten schon beachtliche Erfolge erzielen können.
Weitere Auskünfte
Dr. James Wootton, Universität Basel, Departement Physik, E-Mail: james.wootton@unibas.ch
