Проектиране на настолна игра на квантови изчислители

Готови за игра? Направете свое собствено копие на Entanglion!
Квантовите изчисления са бързо съзряващо поле, което използва квантово-механични явления като суперпозиция и заплитане за извършване на изчисления, считани за неразрешими за класическите компютри.

Ако не сте разбрали дума от предишното изречение, не сте сами! Първото ми въведение в квантовите изчисления беше, когато бях студент и мой приятел ми каза, че изучава квантовите изчисления. Попитах го какво е това и след пет минути все още нямах представа.

Бързо напред към средата на 2016 г., аз се присъединих към екипа в IBM Research, който разработи IBM Q Experience и QISKit и се нуждаех да постигна бързина точно за това, което става въпрос за квантовите изчисления. Прочетох всички онлайн ръководства и ръководства, които можах да намеря и гледах безброй видеоклипове, но всеки път, когато си мислех, че разбирам нещо, се озовах в началото, без да разбирам силно материала. Плюс това, за да бъда честен, материалът беше труден за разбиране и забулен зад стена от математически изрази. Копнеех за по-добър начин да обуча някого на основните принципи на квантовите изчисления.

Квантова + настолна игра = Страхотна!

Един уикенд, съпругът ми (също изследовател в IBM) и аз закупихме нова настолна игра, за да играем заедно. В полето се твърди, че играта отне два часа, но ние прекарахме много повече време от това, научавайки правилата, опитвайки се да играем чрез завой, да правим грешки и да ги поправяме, като постоянно се връщахме към правилото. В края на краищата успяхме да играем през пълна игра (и както е обичайно, аз спечелих!), Но след размишляването върху този процес и двамата бяхме изумени от това колко време и енергия вложихме в изучаването на игра с произволни правила , Ами ако бихме могли да направим същото, но да научим нещо по пътя?

Така се роди идеята за квантова изчислителна настолна игра.

Проектирането на игра е трудно. Проектиране на квантова игра? Много по-трудно.

Съпругът ми и аз работихме заедно, за да проектираме настолна игра с две цели: тя трябваше да бъде забавна и трябваше да научи играчите на основни принципи на квантовите изчисления. И двамата имаме изследователски опит в взаимодействието между човек и компютър (HCI), който има за цел да разбере и подобри как взаимодействат хората с и чрез технологиите. При разработването на нашата игра разчитахме на два основни метода на изследване от HCI: прототипиране на хартия и итеративен дизайн.

Дизайнът на хартия ни позволи да направим бързи промени в играта, докато тествахме нова механика и правила. Нашите ранни версии на играта взеха назаем много компоненти от други настолни игри, на които се радваме, плюс много лепкави бележки и изрязвания от хартия. След като се спряхме на механиката на игрите, която се чувстваше забавно, показахме нашия прототип на група квантови учени в нашата лаборатория в IBM Research, за да получим отзиви за научните аспекти. Любимият им коментар за нас беше: „това не е квантово“, връщайки ни обратно към чертожната дъска, за да мислим за нови начини за представяне на квантова система в картон. В крайна сметка създадохме пет основни повторения на нашата настолна игра, преди нашите квантови учени дадоха своя печат на одобрение.

Първата версия на нашата настолна игра заимства компоненти от Carcassone, друга игра, на която се радваме.Третата итерация на нашата настолна игра е много цветна и беше забавна за игра, но нашите квантови учени смятаха, че тя „не е достатъчно квантова“.Д-р Чарлз Бенет, сътрудник на IBM и пионер в областта на квантовата информационна наука, ни дава обратна информация за втората итерация на нашата игра.В итерация четири се спряхме на научнофантастична тема, в която играчите преместват космическите си кораби от планета на планета, за да извлекат компоненти от квантов компютър.

Цели на обучението

Когато проектирахме игра за преподаване на високо технически предмет, ние се замислихме дали целта е просто да въведем играчите в концепции от високо ниво в квантовите изчисления или да навлезем дълбоко в сложните детайли на квантовите изчислителни алгоритми. За да направим нашата игра приятна за широк кръг от играчи, решихме да поставим акцента си върху запознаването с концепциите на високо ниво (наречени концептуално майсторство), а не да се фокусираме дълбоко върху подробностите на квантовите алгоритми (наречени техническо майсторство). Решихме, че нашата игра трябва да изложи играчите на тези основни понятия в квантовите изчисления: кубити и квантови състояния, суперпозиция, заплитане, измерване, грешка и различните видове хардуерни и софтуерни компоненти, участващи в изграждането на истински квантов компютър. В началото на процеса на проектиране ние направихме целта на нашата игра да бъде да изградим квантов компютър от съставните му компоненти!

Кооперативна или конкурентна?

Много настолни игри са конкурентоспособни, като питинг играч срещу играч в битка на акъла и стратегия. Тъй като нашата цел беше да направим образователна игра, смятахме, че най-добрите резултати от обучението ще се получат, когато играчите работят заедно, за да постигнат целта на играта. Това решение взехме от наблюдения, които направихме по време на нашите плейстейшън сесии - играчите често си задаваха въпроси като: „какво се случва, ако играя това?“ И „как работи това нещо?“ Следващите дискусии често водеха до по-добро разбиране на основната механика на играта, водеща до силно разбиране на механиката на квантовите изчисления. Това са точно тези видове дискусии, които искахме играчите да провеждат, докато играят нашата игра и по този начин направихме играта си кооперативна.

Калибриране на трудността на играта

Качеството, което прави една игра страхотна, се крие в способността й да предизвиква играча точно на точното време. Игрите, които са твърде лесни, са тривиални и неудовлетворителни; игрите, които са твърде трудни, могат да бъдат разочароващи, водещи до изоставяне. По този начин имахме силно желание да гарантираме, че играта е достатъчно предизвикателна, за да бъде забавна, но не твърде трудна, за да накара играчите да се откажат от неудовлетвореност или недоволство.

Едно предизвикателство, с което се сблъскахме при калибрирането на трудността, беше да има достатъчно хора да го играят, за да сме сигурни, че играта не е била твърде лесна или твърде трудна. За да преодолеем това предизвикателство, всъщност внедрихме симулатор за играта и AI играчите, които биха могли да я играят заедно. Изпълнихме хиляди симулации на игри, за да ни помогнем да калибрираме трудността на играта, правейки ощипвания и пускайки повече симулации, за да разберем ефекта им. Въпреки че играчите на AI не разбират истински как хората биха играли в нашата игра, ние емпирично решихме, че печалбите от 50–60% за AI екип съответстват на адекватното ниво на предизвикателство за човешките играчи.

Въведете Entanglion

След много усилена работа, повтаряща се с нашите квантови учени, провеждане на игри с колеги и пускане на хиляди симулации на игри, нашата пета итерация се превърна в играта, която сега наричаме Entanglion. Entanglion (игра на думата entanglement) беше пусната през декември 2017 г. като проект с отворен код на Github, за да може всички да се наслаждават на нея и да научат за квантовите изчисления. Ние насърчаваме всички, които се интересуват от настолни игри, квантови изчисления или и двете, да се насладят на нашата игра и да я споделят с приятел.

След като изиграхте играта, отидете на QISkit и направете своя собствена игра и научете повече за квантовите изчисления, като програмирате истинска.