Czy dasz radę przejść tę łamigłówkę kwantową?

Gry fizyczne stały się ważną częścią krajobrazu gier. Są to gry, które wymagają od graczy poznania praw fizyki, aby wygrać. Jednym z przykładów jest układanka laserowa, w której gracze układają lustra, aby przekierować wiązkę laserową na różne cele. Kolejnym jest Art of Gravity, w którym gracze niszczą budynki zbudowane z cegieł, aby obserwować fascynujące wzory spadających klocków.

Niektóre gry zagłębiają się nawet w świat kwantowy. Ale ten rodzaj fizyki jest znacznie trudniejszy do zasymulowania, więc te gry często obejmują proste zjawiska kwantowe, takie jak zachowanie pojedynczych fotonów. Coś bardziej złożonego staje się wykładniczo trudniejsze do zasymulowania.

Jednak fizycy odkryli kilka skrótów kodowania, aby uczynić tego typu symulacje bardziej wydajnymi. Potrzebny jest sposób na przekształcenie ich w grę, w którą warto zagrać.

Wejdź do Quantum Game, gry przeglądarkowej, w której gracze muszą rozwiązywać fotonowe zagadki, korzystając z dziwacznych kwantowych właściwości splątania, superpozycji i interferencji. Gra jest wstępem do szerszej i znacznie bardziej ambitnej próby stworzenia wirtualnego laboratorium optyki kwantowej.

Wirtualne eksperymenty kwantowe

To „Wirtualne laboratorium pozwala badać naturę fizyki kwantowej, symulować obliczenia kwantowe, wykorzystywać kryptografię kwantową, badać sprzeczne z intuicją zjawiska kwantowe i odtwarzać eksperymenty historyczne” – mówią twórcy pod kierownictwem Piotra Migdala z firmy Quantum FlyTrap w Polsce.

Laboratorium może symulować eksperymenty z udziałem do trzech fotonów, co wymaga znacznego kodowania. Mówią, że zachowanie pojedynczego fotonu można opisać za pomocą 1000 liczb zespolonych, aby uchwycić jego położenie w przestrzeni 2D, jego polaryzację i kierunek. Z drugiej strony „symulacja trzech fotonów wymaga miliarda wymiarów” – mówi zespół.

Wirtualne laboratorium umożliwia symulowanie szerokiej gamy eksperymentów z zakresu optyki kwantowej i projektowanie nowych. Jest to przydatne dla naukowców, nauczycieli i studentów. Laboratorium zawiera szereg gotowych konfiguracji do eksperymentów, takich jak protokół dystrybucji klucza kwantowego BB84 do kryptografii, kwantowy efekt Zenona i teleportacja kwantowa. Umożliwia także użytkownikom przechowywanie własnych eksperymentów.

Aby pomóc ludziom nauczyć się korzystać z laboratorium i jednocześnie zapewnić dobrą zabawę, Migdal i jego koledzy opracowali grę logiczną Quantum Game. Przybiera to formę serii coraz bardziej zaawansowanych łamigłówek, które wprowadzają interferencję, polaryzację, splątanie i tak dalej. Rozwiązanie jednej zagadki odblokowuje następną.

Gamifikują laboratorium za pomocą intuicyjnego interfejsu typu „przeciągnij i upuść”, używając rysunkowych skał do blokowania fotonów, wprowadzając miny, których fotony muszą unikać (inspirowane przez Saper) i zastępując detektory fotonów pułapkami na Wenus inspirowanymi serią gier Mario. Migdal nawet nazwał swoją firmę po tych spodniach.

Rezultat jest dopracowany, edukacyjny i wymagający. Jest również darmowy i zaskakująco zabawny.

Wirtualne laboratorium jest już testowane na kursach na Uniwersytecie Oksfordzkim w Wielkiej Brytanii i Uniwersytecie Stanforda w Kalifornii. „Nasi uczniowie to uwielbiali” — powiedział jeden z pedagogów.

Nie ma powodu, dla którego ty też nie powinieneś. Możesz się nawet czegoś nauczyć!

Ref: Wizualizacja mechaniki kwantowej w interaktywnej symulacji—Wirtualne laboratorium Quantum Flytrap: arxiv.org/abs/2203.13300