Onderzoekers in een laboratorium aan de Universiteit van Aarhus hebben een veelzijdige game-interface op afstand ontwikkeld waarmee externe experts en honderden burgerwetenschappers over de hele wereld een kwantumgasexperiment konden optimaliseren door middel van multiplayer-samenwerking en in realtime. De inspanningen van beide teams verbeterden drastisch ten opzichte van de eerdere beste oplossingen die tot stand kwamen na maanden van zorgvuldige experimentele optimalisatie. Domeinexperts vergelijken, algoritmen en burgerwetenschappers is een eerste stap op weg naar het ontrafelen van hoe mensen complexe, natuurwetenschappelijke problemen.

In een toekomst die wordt gekenmerkt door algoritmen met steeds grotere rekenkracht, het is essentieel om het verschil tussen menselijke en machine-intelligentie te begrijpen. Dit maakt de ontwikkeling mogelijk van hybride intelligentie-interfaces die het beste van twee werelden optimaal benutten. Door complexe onderzoeksuitdagingen beschikbaar te stellen voor een bijdrage van het grote publiek, burgerwetenschap doet precies dit. Talrijke burgerwetenschappelijke projecten hebben aangetoond dat mensen kunnen wedijveren met geavanceerde algoritmen om complexe, natuurwetenschappelijke problemen.

Echter, deze projecten hebben tot nu toe niet onderzocht waarom een ​​collectief van burgerwetenschappers zulke complexe problemen kan oplossen. Een interdisciplinair team van onderzoekers van de Universiteit van Aarhus, Universiteit van Ulm, en de Universiteit van Sussex, Brighton heeft nu belangrijke eerste stappen in deze richting gezet door de prestaties en zoekstrategie van zowel een ultramodern computeralgoritme als burgerwetenschappers te analyseren in hun realtime optimalisatie van een experimentele laboratoriumomgeving.

De Alice-uitdaging

In de Alice-challenge, Robert Heck en collega's gaven experts en burgerwetenschappers live toegang tot hun ultrakoude kwantumgasexperiment. Dit werd mogelijk gemaakt via een nieuwe externe interface die is gemaakt door het team van ScienceAtHome van de universiteit van Aarhus. Door laserstralen en magnetische velden te manipuleren, de taak was om zoveel mogelijk atomen af ​​te koelen tot extreem koude temperaturen net boven het absolute nulpunt van -273,15 °C. Dit zogenaamde Bose-Einstein-condensaat (BEC) is een afzonderlijke toestand van materie (zoals vast, vloeistof, gas of plasma) dat een ideale kandidaat is voor het uitvoeren van onder meer kwantumsimulatie-experimenten en zeer nauwkeurige metingen.

Zoals hieronder wordt beschreven, hebben beide groepen met succes de externe interface gebruikt om voorheen optimale oplossingen te verbeteren. In deze allereerste experimentele optimalisatie-uitdaging voor burgerwetenschap met realtime feedback, de onderzoekers kwantificeerden het gedrag van burgerwetenschappers verder. Ze concludeerden dat wat het oplossen van menselijke problemen uniek maakt, is dat een collectief van individuen innovatieve pogingen in evenwicht kan brengen en bestaande oplossingen kan verfijnen op basis van hun eerdere prestaties.

Kwantumoptimalisatie als service op afstand

Quantumtechnologie stapt steeds meer uit universitaire laboratoria en in de bedrijfswereld. Voor krachtige en robuuste toepassingen, uitzonderlijke niveaus van controle van de complexe systemen nodig zijn, evenals nieuwe methodologieën in zowel theoretische als experimentele wetenschap. Dit vereist interdisciplinaire en vaak transinstitutionele samenwerkingen, wat op zijn beurt de ontwikkeling van efficiënte interfaces vereist om elk van de experts in staat te stellen zo efficiënt mogelijk bij te dragen.

In recente jaren, externe interfaces voor experimentele apparaten zijn begonnen te verschijnen. Echter, ze zijn altijd gericht op educatieve instellingen of het onderzoek van een zeer specifieke experimentele opstelling.

In tegenstelling tot, Robert Heck en collega's in het huidige werk wilden een flexibele externe interface en een krachtig optimalisatie-algoritme ontwikkelen dat in de toekomst mogelijk op veel andere instellingen kan worden toegepast. De experimentele productie van BEC's dient als een ideale testbank:

Het RedCRAB-pakket

"Om machines de Alice Challenge naast mensen via internet te laten spelen, moesten we een nieuw softwarepakket maken, rode KRAB, voor optimalisatie op afstand van kwantumexperimenten, " legden Tommaso Calarco en Simone Montangero uit, leiders van het Ulm-optimalisatieteam.

RedCRAB is bij uitstek geschikt voor problemen met veel regelparameters wanneer de exacte theoretische modellering van het systeem onbekend is en andere traditionele optimalisatiemethoden falen. Het heeft bovendien het voordeel dat de optimalisatie-experts gemakkelijk algoritmische parameters kunnen aanpassen en het volledige potentieel ervan kunnen benutten zonder tussenliggende communicatie met het experimentele team. Bovendien, de efficiëntie van de optimalisatie kan worden geanalyseerd, en op basis daarvan algoritmische verbeteringen kunnen worden aangebracht en gemakkelijk worden overgedragen naar toekomstige experimenten.

Tommaso Calarco is zeer enthousiast over de resultaten:

"RedCRAB-optimalisatie werkte zo goed dat het nu in verschillende laboratoria over de hele wereld wordt toegepast om de prestaties van kwantumapparaten te verbeteren. We zijn van plan dit uit te breiden als een cloudservice waarvan we denken dat dit waarschijnlijk zal resulteren in een snellere ontwikkeling van het theoretische begrip, van de algoritmische ontwikkeling en in het algemeen van de kwantumwetenschap en -technologieën."

Kan elke onderzoeksuitdaging in een spel worden omgezet?

Zoals hierboven vermeld, game-interfaces hebben de afgelopen jaren niet-experts in staat gesteld om hun creativiteit en intuïtie te gebruiken om bij te dragen aan verschillende wetenschappelijke gebieden. in 2016, de onderzoeksgroep van Aarhus rapporteerde de resultaten van het eerste kwantumburgerwetenschapsspel, kwantumbewegingen, in Natuur . In het spel, de spelers hebben bijgedragen aan het vinden van snelle en efficiënte oplossingen voor atomair transport in een kwantumcomputerarchitectuur.

De heldere waterachtige analogie van dat specifieke spel en de schaarste van andere kwantumspellen heeft sindsdien geleid tot de kritiek dat misschien niet-experts alleen kunnen bijdragen aan onderzoeksthema's waarvoor een duidelijke klassieke analogie kan worden vastgesteld. Aangezien dit zelden kan worden vastgesteld voor een bepaalde onderzoeksuitdaging, het lijkt erop dat de gamification-aanpak van zeer beperkte algemene toepasbaarheid is en Quantum Moves slechts een heel speciaal geval was.

Om deze hypothese te testen, de externe interface naar het experiment met ultrakoude atomen in Aarhus werd omgezet in een burgerwetenschapsspel, de Alice-challenge. Concreet, de spelers bestuurden de laserintensiteiten en magnetische velden van de experimentele reeks. Zoals geïllustreerd in de afbeelding is de "game"-interface verre van intuïtief en misschien niet erg vermakelijk. De spelers slepen een of meer van de bochten, druk op de verzendknop. Daarna werd de oplossing naar het lab gestuurd, het uitgevoerde experiment, en ongeveer 35 seconden later wordt het resultaat aan de speler gecommuniceerd.

Twee weken gamen - en betere oplossingen

Robert Heck, een van de leidende wetenschappers bij het ontwerpen van de Alice Challenge en eerste auteur van het artikel:

"Dit realiseert de allereerste uitdaging voor het optimaliseren van experimentele burgerwetenschap met realtime feedback op elk gebied. In de Alice Challenge hadden 600 burgerwetenschappers meer dan twee weken toegang tot ons laboratorium in Aarhus. Binnen deze tijd hadden 7577 oplossingen werden ingediend en gerealiseerd in het lab. Ook voor ons was het een uitdaging. Omdat onze deelnemers van over de hele wereld kwamen, moesten we het experiment twee weken lang ononderbroken online houden."

Hoewel de spelers geen formele opleiding in experimentele natuurkunde hadden, slaagden ze er toch consequent in om verrassend goede oplossingen te vinden. Waarom? Een hint kwam uit een interview met een topspeler, een gepensioneerde Italiaanse microgolfsysteemingenieur. Hij zei, dat voor hem deelname aan de Alice Challenge hem veel deed denken aan zijn vorige baan als ingenieur. Hij heeft nooit een gedetailleerd begrip van microgolfsystemen gekregen, maar heeft in plaats daarvan jarenlang een intuïtie ontwikkeld over hoe de prestaties van zijn "black-box" kunnen worden geoptimaliseerd.

"Dit is buitengewoon opwindend. Wij mensen kunnen algemene optimalisatievaardigheden ontwikkelen in ons dagelijkse werkleven die we efficiënt kunnen overbrengen naar nieuwe instellingen. Als dit waar is, elke onderzoeksuitdaging kan in feite worden omgezet in een burgerwetenschapsspel, " zei Jacob Sherson, hoofd van het ScienceAtHome-project.

Zijn burgerwetenschappers echt beter?

Hoe kunnen ongetrainde amateurs die een niet-intuïtieve game-interface gebruiken, deskundige experimentatoren overtreffen? Een antwoord kan liggen in een oud citaat van Herbert Simon:"Een probleem oplossen betekent simpelweg dat je het voorstelt om de oplossing transparant te maken". In deze weergave, de spelers kunnen beter presteren, niet omdat ze superieure vaardigheden hebben, maar omdat de interface die ze gebruiken een ander soort onderzoek "voor de hand liggend maakt om uit te proberen" in vergelijking met de traditionele experimentele controle-interface.

"Het proces van het ontwikkelen van leuke interfaces waarmee zowel experts als burgerwetenschappers de complexe onderzoeksproblemen vanuit verschillende hoeken kunnen bekijken, kan de sleutel bevatten tot het ontwikkelen van toekomstige hybride intelligentiesystemen waarin we optimaal gebruik maken van menselijke creativiteit, ’ legde Jacob Sherson uit.

Sociale wetenschappen in het wild

Een andere reden voor het succes van de burgerwetenschappers is waarschijnlijk te wijten aan de multiplayer-samenwerking die de externe interface mogelijk maakte. Het testen van deze hypothese betekende een aanzienlijke vooruitgang in vergelijking met de traditionele sociale wetenschappen.

Carsten Bergenholtz en Oana Vuculescu, de sociaalwetenschappelijke experts van het project:

“In de sociale wetenschappen zijn we geïnteresseerd in hoe mensen problemen oplossen. we nodigen ze vaak uit in een sociaalwetenschappelijk laboratorium om kunstmatige problemen op te lossen, die niet direct verbonden zijn met de echte wereld. Verder, individuen in het laboratorium lossen deze kunstmatige problemen meestal alleen op. In tegenstelling tot, onze Alice Challenge was een unieke kans om sociale wetenschappen 'in het wild' te doen, d.w.z. spelers losten een echt probleem op en we lieten spelers samenwerken en van elkaar leren. Algemeen, dit stelt ons in staat om te onderzoeken waarom een ​​collectief van burgerwetenschappers verrassend goed is in het oplossen van dergelijke complexe problemen."

De onderzoekers ontdekken dat individuen aan de boven- of onderkant van het leaderboard zich anders gedragen. Goed presterende spelers voeren kleine veranderingen door in hun voorgestelde oplossingen, terwijl slecht presterende spelers het onbekende verkennen en grotere veranderingen toepassen. Naarmate slecht presterende spelers opklimmen in de rangen en, vice versa, goed presterende spelers verplaatsen zich naar beneden individuen passen hun zoektocht dienovereenkomstig aan.

Op collectief niveau, dit betekent dat er altijd enkele spelers bovenaan een leaderboard zijn die de huidige beste oplossing optimaliseren, evenals enkele spelers onderaan een leaderboard die innoveren en volledig nieuwe oplossingen uitproberen. Dit werd direct vergeleken met het gedrag van het RedCRAB-algoritme dat veel meer lokaal van aard was - gericht op kleine stappen om de huidige oplossing iteratief te verbeteren in plaats van het algemene landschap te doorzoeken.

Een uniek inzicht

"Deze bevindingen geven inzicht in het unieke menselijke vermogen om complexe problemen collectief op te lossen. Door gebruik te maken van deze kennis kunnen hybride intelligentie-interfaces worden ontworpen die de rekenkracht van AI combineren met de voordelen van menselijke intuïtie, " zeiden Carsten Bergenholtz en Oana Vuculescu.

Mark Bason van de Universiteit van Sussex kijkt naar de toekomst:

"Vooruitgang in de wetenschap is heel vaak het resultaat van nauwe samenwerking tussen gevestigde groepen, zoals die uit de academische wereld of de industrie. Echter, technologie is zo ver gevorderd dat veel nieuwe interacties mogelijk zijn. Door ons onderzoek open te stellen, we kunnen nu profiteren van de vaardigheden van spelers, algoritmen en hybride benaderingen van de twee."