Features 26.02.2016 | 15:34von GM Pepe Cuenca

Quantenschach: Eine neue Variante, die dabei hilft, Physik zu verstehen

Gestern Abend nahm die Miss Strategy von chess24, IM Anna Rudolf, an einem besonderen Match teil, bei dem eine neue Schachvariante namens Quantenschach gespielt wurde. Sie trat gegen den Erfinder des Spiels Chris Cantwell an, einen Studenten der University of Southern California. Seht euch die ganze Sendung an und lernt nebenbei ein wenig über Quantenphysik!


2013 war ich für ein Master-Studium an der Polytechnischen Universität Danzig (Polen). Während eines Kurses über Nanotechnologie wurde ich gebeten, einige Anwendungen von Quantenmechanik vorzustellen, und das war in der Tat das erste Mal, dass ich herausfand, dass es verschiedene Formen von "Quanten"-Schach gibt.

Ich nutzte diese Veranstaltung, die gemeinsam von chess24 mit quantumrealmgames.com organisiert wurde, und entschied mich, einen Artikel zu verfassen, um einige Konzepte der Quantenphysik zu erklären zu versuchen, die in dieser neuen Art des Spiels vorkommen, wie z.B.:

  1. Schrödingers Zustand
  2. Verschränkung

Bevor wir uns den komplizierteren Konzepten zuwenden, möchte ich ein wenig über die mögliche Nützlichkeit dieses neuen Spiels und die Regeln dazu sprechen:

Menschliche Intelligenz vs. künstliche Intelligenz

Viele Spiele, insbesondere Schach, wurden schon immer als gültiger Test angesehen, ob ein Computer Intelligenz aufweist oder nicht. Computer nutzen parallel "rohe Kraft" bzw. massive Informationsverarbeitung, wo die Partie als Baum dargestellt wird. Im Gegensatz dazu verwenden Menschen Verstand und Intuition.

Die Menschen haben diese Schlacht gegen Schachcomputer schon vor einiger Zeit verloren; der Wendepunkt kam, als Deep Blue im Mai 1997 gegen Garry Kasparov gewonnen hatte.

Eine Szene aus dem Match über sechs Partien, aus dem Deep Blue von IBM als Sieger hervorging | Foto: www.kasparov.com

Es ist nicht zu leugnen, dass der Umfang des Schach immens ist, aber es ist auch richtig, dass sich durch eine einfache neue Regel eine unbegrenzte Welt an neuen Möglichkeiten auftut (z. B. chess960, auch bekannt als Fischer-Random Schach).

Bereits 2010 hat Dr. Selim Akl von der Queen's University in Ontario (Kanada) in einem wissenschaftlichen Artikel darauf hingewiesen, dass einer der Vorteile des Quantenschach darin liegt, (zumindest eine Zeitlang) das Gleichgewicht zwischen Menschen und Computern wieder herzustellen, dank solcher Konzepte wie Superposition, Unsicherheit, Interferenz, Verschränkung etc.

Chris Cantwells Version des Quantenschach

Ein früher Prototyp von Chris Cantwells Schachvariante














Werfen wir einen Blick auf die Regeln, die Chris in seinem Blog über Quantenschach aufstellt, können wir Folgendes beobachten:

Alle Figuren mit Ausnahme der Bauern können entweder einen normalen oder einen Quantenzug machen. Mit einem Quantenzug gelangt die Figur in eine "Superposition" mit zwei möglichen Ausgängen: eine 50 %-ige Chance, dass sie bis zu zwei Züge hinter einander machen kann, und eine andere 50 %-ige Chance, dass die Figur überhaupt nicht ziehen wird (z.B. , wenn man seinen König von e8 nach e7 ziehen möchte, weiß man nicht, ob er wirklich auf e8 oder e7 landen wird).

Chris Cantwell, Erfinder des "Quantenschach"

Dieses Konzept erlaubt es den Figuren, sich zu verflechten (oder zu verschränken). Hat man Figuren in Superposition, können Situationen entstehen, in denen ein Feld von zwei verschiedenen Figuren gleichzeitig besetzt wird. Wenn das passiert, wird eine Messung durchgeführt, um herauszufinden, welche Figur auf dem fraglichen Feld zu stehen kommt.

Nun ist es an der Zeit, sich mit der Physik auseinander zu setzen! Wir werden es in einfachen Begriffen zu erklären versuchen, was mit den Konzepten von Superposition und Verschränkung aus Sicht der Quantenmechanik gemeint ist.

Wenn ihr euch nicht zu weit "ins Dickicht" vorwagen möchtet, wäre nun ein guter Zeitpunkt, das beeindruckende Video mit dem Schauspieler Paul Rudd und dem bekannten Physiker Dr. Stephen Hawking anzusehen, bei dem Keanu Reeves im Hintergrund berichtet; es wurde zur Unterstützung eines Kickstarter-Projektes gedreht, um Geld für die Entwicklung des Spiels aufzutreiben:


Quantenmechanik

Wenn wir vom Universum sprechen, denken wir dabei an Galaxien, Sterne und Planeten, die wir - tausende Kilometer oder Lichtjahre entfernt - mit Hilfe von Teleskopen sehen können. Wir denken an Körper, die sich gemäß den Gravitationsgesetzen fortbewegen. Es gibt allerdings noch ein "anderes Universum": eine unsichtbare Welt, die alles beherrscht, das wir sehen. Diese ist eine mikroskopische Welt - nicht von der Größe eines Sterns, sondern eines Atoms - wo die Gesetze viel weniger intuitiv sind als in unserer altbekannten makroskopischen Welt.

In dieser Größenordnung verhält sich Materie so andersartig, dass Wissenschaftler eine völlig neue Theorie entwickelt haben, um die Vorgänge erklären zu können. In der "Quantentheorie" machen subatomare Partikel ziemlich eigenartige Sachen. Sie sind unsichtbar, können durch feste Objekte gleiten, und sie können an mehreren Orten gleichzeitig sein. Letzteres scheint zur Science Fiction gehören, und doch erscheint es in der Quantenwelt zuzutreffen.

Quanten-Superposition / Schrödingers Zustand

Die Gleichung Schrödingers beschreibt die Entwicklung eines massiven subatomaren Partikels mit nicht-relativistischer Wellennatur über eine gewisse Zeitspanne hinweg.

Und ihr dachtet, die Najdorf-Verteidigung sei schwierig!

An diesem Zeitpunkt werdet ihr euch vielleicht sagen, "Pepe, hör auf, Spanisch zu sprechen, ich bekomme Kopfweh." Wir werden verständlicher Weise nicht allzu sehr ins Detail gehen, aber ich würde gerne anmerken, dass das Interesse an diesem Gebiet früh im 20. Jahrhundert aufgekommen ist, als man herausfand, dass Licht einen Welle-Teilchen-Dualismus aufweist. Die Quanten-Superposition tritt auf, wenn ein Objekt "gleichzeitig" zwei oder mehr Werte einer beobachtbaren Menge besitzt. Die sogenannte "Kopenhagen-Interpretation" drückt dies durch die folgende Gleichung aus:

Aus "On the importance of being quantum" von Selim Akl, 2010

Alpha und Beta sind hier die Wahrscheinlichkeiten, dass Nl und Rr-Aussagen zutreffen werden. Um das leichter verständlich zu machen, werden wir das Experiment namens "Schrödingers Katze" (bzw. Paradoxon) erklären.

Stellt euch vor, wir haben eine Schachtel, in der sich eine Katze und eine gewisse Menge Schießpulver, das mit 50 %-iger Wahrscheinlichkeit in der nächsten Minute explodieren wird, befinden. Ehe wir nachsehen, wissen wir nicht, ob die Katze tot oder lebendig ist (Bild 1).

Bild 2: Minutephysics (YouTube-Kanal)

Falls wir das Experiment viele Male mit verschiedenen Katzen usw. wiederholen, sehen wir, dass die Katze in der Hälfte der Fälle überlebt und in den übrigen Fällen stirbt (Bild 2).

Die Interpretation der Quantenmechanik besagt, dass sich die Katze vor dem Kontrollblick in einer Superposition befindet, also gleichzeitig tot und lebendig ist (Bild 3). Die Handlung des Nachsehens erzwingt eines der beiden Ergebnisse (Katzen und Neugierde können also sprichwörtlich tödlich sein).

Bild 3: Minutephysics (YouTube-Kanal)

Bild 4: Minutephysics (YouTube-Kanal)

Die Wirklichkeit ist jedoch die, dass wir in der gleichen Situation wie die Katze sind (Bild 4): die Katze lebt, und wir sehen sie gesund und munter, oder stirbt und wir finden sie in diesem Zustand.

Die Frage lautet daher: Wer beobachtet uns, um die Natur in eine Realität zu zwingen?

Nun, diese Frage werden wir hier nicht auflösen, weil das eines der Themen ist, das von der Quantenphysik noch nicht gelöst werden könnte.

Wer mehr erfahren möchte, kann das Gedankenexperiment gut aufbereitet in diesem Video betrachten:


Quantenverschränkung

Der Schlüssel zum Verständnis aller Quanten-Phänomene ist ein Vorgang, der "Quantenverschränkung" genannt wird, und Wissenschaftler sind wegen der zivilen und militärischen Nutzungsmöglichkeiten sehr interessiert an dieser erstaunlichen Entdeckung.

In der Quantenmechanik kann das, was einem Teilchen an einem bestimmten Ort A widerfährt, direkt ein Partikel an einem anderen bestimmten Ort B - auch wenn dieser Ort B Milliarden Lichtjahre von A entfernt ist - beeinflussen.

Das ist der Vorgang: wenn zwei subatomare Teilchen interagieren, können sie sich "verschränken", was bedeutet, dass die Lage oder andere Eigenschaften Hand in Hand gehen. Falls man irgendeine Eigenschaft des einen Teilchens misst, ergibt sich dadurch zeitgleich auch der Wert des anderen Teilchens.

Repräsentation zweier subatomarer, in einander verschränkter Teilchen | Bild: stargazer (YouTube-Kanal)

Das bedeutet beispielsweise: falls ein Wissenschaftler ein "verschränktes" Teilchen vorfindet, kann er es z. B. im Uhrzeigersinn drehen, und das andere Teilchen wird das gleiche tun.

Diese Aussage ist deswegen sehr interessant, da es darauf hinweist (oder wenigstens andeutet), dass die Information von einem Teilchen zum anderen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist. Das verstehe weder ich noch sonst jemand! Einstein nannte es "spukhafte Fernwirkung".

Nun, Leute, ich hoffe, dass euch diese nicht ganz übliche Meldung auf unserer Webseite gefallen hat, und falls ihr noch ein wenig mehr über die Idee des Quantenschachs erfahren möchtet, seht euch einfach Anna Rudolfs Sendung an. Das Match über zwei Partien endete mit einem 1:1-Unentschieden!

Habe das Spiel sehr genossen, daher bin ich definitiv dafür, es in Zukunft für Tie-Breaks zu verwenden!


GM Jose Cuenca

Jose "Pepe" Cuenca ist Schachgroßmeister und Bauingenieur. Er kombiniert derzeit Wettbewerbsschach mit seiner Arbeit als Forscher an der Universität Hamburg und der Arbeit bei chess24.




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