Проектування квантової обчислювальної настільної гри

Хочеш грати? Зробіть свою власну копію Entanglion!
Квантові обчислення - це швидко дозріваюче поле, яке використовує квантово-механічні явища, такі як суперпозиція та переплутування для виконання обчислень, що вважаються нерозбірливими для класичних комп'ютерів.

Якщо ви не зрозуміли слова попереднього речення, ви не самотні! Моє перше знайомство з квантовими обчисленнями було тоді, коли я був студентом університету, і мій друг сказав мені, що він вивчає квантові обчислення. Я запитав його, що це таке, і через п’ять хвилин я ще не мав уявлення.

Швидко вперед до середини 2016 року, я приєднався до команди IBM Research, яка розробила досвід роботи з Q Q та QISKit, і мені потрібно було швидко розвивати квантові обчислення. Я прочитав усі онлайн-посібники та навчальні посібники, які міг знайти і переглянув незліченну кількість відео, але щоразу, коли думав, що щось розумію, на початку опинився, не маючи сильного розуміння матеріалу. Плюс, якщо чесно, матеріал було важко зрозуміти і завуальовано за стіною математичних виразів. Я прагнув кращого способу навчити когось основоположних принципів квантових обчислень.

Квант + Настільна гра = Чудова!

Одного разу вихідні ми з чоловіком (також дослідником IBM) придбали нову настільну гру, щоб разом грати. Графік стверджував, що гра займала дві години, але ми витратили набагато більше часу, ніж це, вивчаючи правила, намагаючись грати по черзі, роблячи помилки та виправляючи їх, постійно звертаючись до цього правила. Зрештою, ми змогли пройти повну гру (і як це прийнято, я перемогла!), Але, задумавшись над цим процесом, ми обоє були вражені тим, скільки часу та енергії ми вклали для вивчення гри з довільними правилами . Що робити, якщо ми могли б зробити те саме, але навчитися чомусь по дорозі?

Так народилася ідея для квантової обчислювальної настільної гри.

Створювати гру важко. Проектування квантової гри? Набагато важче.

Ми з чоловіком працювали разом над розробкою настільної гри з двома цілями: це повинно було бути весело, і воно мало навчити гравців фундаментальним принципам квантових обчислень. У нас обох є науково-дослідна робота у взаємодії людина-комп'ютер (HCI), яка має на меті зрозуміти та покращити взаємодію людей із технологіями та за допомогою них. При розробці нашої гри ми спиралися на два основні методи дослідження від HCI: прототипування паперу та ітеративний дизайн.

Дизайн на папері дозволив нам швидко вносити зміни в гру, коли ми випробовували нові механізми та правила. Наші ранні версії гри запозичили багато компонентів з інших настільних ігор, якими ми насолоджуємось, а також безліч наліпок і паперових вирізів. Після того як ми зупинилися на ігровій механіці, яка почувала себе весело, ми показали наш прототип групі вчених-квантових лабораторій в нашій лабораторії в IBM Research, щоб отримати відгуки про аспекти науки. Їх улюбленим коментарем до нас було: «це не квантово», повертаючи нас до креслярської дошки, щоб придумати нові способи представлення квантової системи у картоні. Ми нарешті створили п'ять основних ітерацій нашої настільної гри, перш ніж наші квантові вчені дали нам свою печатку схвалення.

Перша версія нашої настільної гри запозичила компоненти у Carcassone, інша гра нам подобається.Третя ітерація нашої настільної гри дуже барвиста і в неї було цікаво грати, але наші квантові вчені вважали, що вона Доктор Чарльз Беннетт, науковий співробітник та піонер IBM у галузі квантової інформатики, дає нам відгуки про другу ітерацію нашої гри.В ітерації чотири ми зупинилися на науково-фантастичній темі, в якій гравці переміщують свої космічні кораблі з планети на планету, щоб отримати компоненти квантового комп'ютера.

Цілі навчання

Розробляючи гру для викладання високотехнологічного предмету, ми дуже замислювалися над тим, чи була мета просто ввести гравців до концепцій високого рівня в квантових обчисленнях або заглибитись у складні деталі алгоритмів квантових обчислень. Щоб зробити нашу гру приємною для широкого кола гравців, ми вирішили зробити свій акцент на ознайомленні з поняттями високого рівня (званими концептуальним майстерністю), а не зосереджуючись глибоко на деталях квантових алгоритмів (званих технічним майстерністю). Ми вирішили, що наша гра повинна розкрити гравців таким фундаментальним поняттям у квантових обчисленнях: кубіти та квантові стани, суперпозиція, заплутаність, вимірювання, помилки та різні види апаратних та програмних компонентів, що беруть участь у створенні справжнього квантового комп'ютера. На початку нашого проектування ми поставили за мету нашої гри побудувати квантовий комп'ютер із складових його компонентів!

Кооперативний чи конкурентоспроможний?

Багато настільних ігор є конкурентоспроможними, граючи гравця проти гравця в битві розуму та стратегії. Оскільки наша мета полягала в тому, щоб зробити навчальну гру, ми вважали, що найкращі результати навчання будуть, коли гравці працюватимуть разом для досягнення мети гри. Ми прийняли це рішення зі спостережень, які ми зробили під час наших ігрових сесій - гравці часто задавали один одному запитання на кшталт: "що станеться, якщо я в це граю?" Та "як це працює?". основна механіка гри, що веде до глибокого розуміння механіки квантових обчислень. Саме такі дискусії ми хотіли, щоб гравці грали в нашу гру, і таким чином ми зробили нашу гру спільною.

Калібрування складності гри

Якість, яка робить гру великою, полягає в її здатності випробовувати гравця на потрібну суму в потрібний час. Ігри, які занадто легко є тривіальними і незадовільними; ігри, які надто складно можуть викликати розчарування, що призводять до відмови. Таким чином, у нас було сильне бажання переконатись, що гра просто непроста, щоб бути веселою, але не надто складною, щоб змусити гравців відмовитися від розчарування чи незадоволення.

Одне з проблем, з яким ми зіткнулися в калібруванні труднощів, - це мати достатню кількість людей, які її грали, щоб бути впевненими, що гра була не надто легкою чи надто складною. Щоб подолати це завдання, ми фактично впровадили тренажер для гри та гравців AI, які могли б грати в неї разом. Ми провели тисячі ігрових симуляцій, щоб допомогти нам відкалібрувати складність гри, зробивши налаштування та запустивши більше симуляцій, щоб зрозуміти їх ефект. Незважаючи на те, що гравці AI насправді не сприймають, як люди будуть грати в нашу гру, ми емпірично вирішили, що коефіцієнт виграшу 50–60% для команди AI відповідає адекватному рівню викликів людям.

Введіть Entanglion

Після багато напруженої роботи з нашими квантовими вченими, проведенням тестування з колегами та проведення тисяч ігрових симуляцій, нашою п'ятою ітерацією стала гра, яку ми сьогодні називаємо Entanglion. Entanglion (п'єса про слово entanglement) була випущена в грудні 2017 року як проект з відкритим кодом на Github, щоб усі мали змогу насолоджуватися цим та дізнаватися про квантові обчислення. Ми заохочуємо всіх, хто цікавиться настільними іграми, квантовими обчисленнями або обома, насолоджуватися нашою грою та ділитися нею з другом.

Після того як ви зіграли в гру, перейдіть до QISkit і зробіть власну гру, і дізнайтеся більше про квантові обчислення, програмуючи реальну.