Projektiranje igre na ploči s kvantnim računanjem

Želim igrati? Napravite vlastiti primjerak Entangliona!
Kvantno računanje je polje koje brzo sazrijeva i koje koristi kvantno-mehaničke pojave kao što su superpozicija i zapetljavanje za obavljanje izračuna koji se smatraju klasičnim računalima nemogućim za rješavanje.

Ako niste razumjeli ni riječ iz prethodne rečenice, niste sami! Moje prvo upoznavanje s kvantnim računanjem bilo je kada sam bio student sveučilišta i jedan moj prijatelj rekao mi je da studira kvantno računanje. Pitao sam ga što je to, a nakon pet minuta, još uvijek nisam imao pojma.

Naprijed, sredinom 2016. godine, pridružio sam se timu u istraživanju IBM koji je razvio IBM Q Experience i QISKit i trebalo mi je da postignem brzinu upravo o kvantnom računanju. Pročitao sam sve mrežne vodiče i tutorijale koje sam mogao pronaći i pogledao bezbroj videozapisa, ali svaki put kad sam pomislio da nešto razumijem, našao sam se na početku, ne shvaćajući čvrsto gradivo. Osim toga, da budem iskren, materijal je bio težak za razumjeti i skriven iza zida matematičkih izraza. Žudio sam za boljim načinom obrazovanja nekoga o temeljnim načelima kvantnog računanja.

Kvant + igra na ploči = super!

Jednog vikenda, moj suprug (također istraživač u IBM-u) i ja kupili smo novu igru ​​na ploči kako bismo zajedno igrali. Okvir je tvrdio da je za igru ​​trebalo dva sata, ali potrošili smo mnogo više vremena od toga učenja pravila, pokušavali igrati kroz zaokret, pravili pogreške i ispravljali ih tako što smo se stalno vraćali u pravilnik. Na kraju smo uspjeli igrati cijelu igru ​​(i kao što je uobičajeno, pobijedio sam!), Ali razmišljajući o ovom procesu, oboje smo bili zadivljeni koliko vremena i energije ulažemo u učenje igre sa proizvoljnim pravilima , Što ako bismo mogli učiniti istu stvar, ali i naučiti nešto usput?

Tako se rodila ideja za igru ​​kvantne računalne ploče.

Dizajnirati igru ​​je teško. Dizajniranje kvantne igre? Mnogo je teže.

Moj suprug i ja zajedno smo radili na dizajniranju igre na ploči s dva cilja: moralo je biti zabavno i moralo je poučiti igrače o temeljnim načelima kvantnog računanja. Oboje imamo istraživačku pozadinu u interakciji između čovjeka i računala (HCI), koja ima za cilj razumjeti i poboljšati interakciju ljudi sa i kroz tehnologiju. U razvoju naše igre oslanjali smo se na dvije glavne istraživačke metode HCI: prototipiranje papira i iterativni dizajn.

Dizajn na papiru omogućio nam je brze promjene u igri dok smo testirali novu mehaniku i pravila. Naše rane verzije igre posudile su mnoge komponente iz drugih igara na ploči u kojima uživamo, plus mnoštvo ljepljivih bilješki i izreza na papiru. Nakon što smo se odlučili za mehaniku igre koja se osjećala zabavno, pokazali smo naš prototip grupi kvantnih znanstvenika u našem laboratoriju u IBM Researchu kako bi dobili povratne informacije o aspektima znanosti. Njihov najdraži komentar bio nam je: "ovo nije kvant", pa su nas vratili na ploču za crtanje kako bismo smislili nove načine za predstavljanje kvantnog sustava u kartonu. Zaključili smo stvaranje pet glavnih iteracija naše igre na ploči prije nego što su nam kvantni znanstvenici dali svoj pečat odobrenja.

Prva verzija naše društvene igre posudila je komponente od Carcassonea, druga igra u kojoj uživamo.Treća iteracija naše igre na ploči vrlo je šarena i zabavna za igranje, ali naši kvantni znanstvenici smatrali su da „nije dovoljno kvantna“.Dr. Charles Bennett, IBM-ov suradnik i pionir na polju znanosti o kvantnim informacijama, daje nam povratne informacije o drugoj iteraciji naše igre.U četvero iteracije smjestili smo se na sci-fi temu u kojoj igrači premještaju svemirske brodove s planeta na planet kako bi pronašli komponente kvantnog računala.

Ciljevi učenja

Prilikom dizajniranja igre za podučavanje visoko tehničkog predmeta, dobro smo razmislili je li cilj jednostavno predstaviti igrače na konceptima visoke razine u kvantnom računanju ili ući duboko u zamršene detalje algoritama kvantnog računanja. Kako bismo našu igru ​​učinili ugodnijom širokom krugu igrača, odlučili smo svoj naglasak staviti na upoznavanje s konceptima na visokoj razini (koji se nazivaju konceptualno majstorstvo), a ne fokusirati se na detalje kvantnih algoritama (zvanih tehničko majstorstvo). Odlučili smo da bi naša igra trebala izložiti igrače ovim temeljnim pojmovima u kvantnom računanju: kubiti i kvantna stanja, superpozicija, zamršenost, mjerenje, pogreške i različite vrste hardverskih i softverskih komponenti uključenih u izgradnju pravog kvantnog računala. Rano u procesu dizajniranja, cilj naše igre je bio da konstruiramo kvantno računalo iz njegovih sastavnih dijelova!

Zadruga ili konkurentna?

Mnoge su igre na ploči konkurentne, igrajući igrača protiv igrača u borbi s pameti i strategijom. Budući da nam je cilj bio obrazovna igra, smatrali smo da će se najbolji ishodi učenja dogoditi ako igrači rade zajedno kako bi ostvarili cilj igre. Odluku smo donijeli iz zapažanja koja smo donijeli tijekom naših playtesting sesija - igrači su često jedni drugima postavljali pitanja poput: "što se događa ako ovo igram?" I "kako ovo funkcionira?" Diskusije koje su uslijedile često su dovele do jačeg razumijevanja igre u osnovi mehanika, što dovodi do snažnog razumijevanja mehanike kvantnog računanja. Upravo su to vrste diskusija koje smo željeli imati tijekom igranja naše igre i na taj način smo učinili našu igru ​​kooperativnom.

Umjeravanje poteškoće u igri

Kvaliteta koja igra čini izvrsnom leži u njenoj mogućnosti da u pravom trenutku izazove igrača na pravi iznos. Igre koje su previše jednostavne trivijalne su i nezadovoljavajuće; igre koje su preteške mogu biti frustrirajuće i dovesti do napuštanja. Stoga smo imali snažnu želju da osiguramo da igra bude dovoljno izazovna da bude zabavna, ali ne previše teška da bi igrače mogla odustati od frustracije ili nezadovoljstva.

Jedan izazov s kojim smo se suočili prilikom kalibriranja poteškoća bilo je dovođenje dovoljno ljudi da je igraju kako bi bili sigurni da igra nije bila previše lagana ili previše teška. Da bismo prevazišli ovaj izazov, zapravo smo implementirali simulator igre i AI igrače koji bi je mogli igrati zajedno. Izvršili smo tisuće simulacija igara kako bismo nam pomogli da kalibriramo poteškoće u igri, praveći sitnice i izvodeći više simulacija kako bismo razumjeli njihov učinak. Iako AI igrači zapravo ne shvaćaju kako će ljudi igrati našu igru, empirijski smo odlučili da dobitak od 50 do 60% za AI tim odgovara odgovarajućoj razini izazova za ljudske igrače.

Uđite u Entanglion

Nakon puno napornog rada s našim kvantnim znanstvenicima, igranja s kolegama i izvođenja tisuća simulacija igara, naša peta iteracija postala je igra koju danas nazivamo Entanglion. Entanglion (igra o riječi entanglement) objavljena je u prosincu 2017. kao open-source projekt na Githubu kako bi se svima omogućilo uživanje u njemu i učenje o kvantnom računanju. Potičemo sve koji su zainteresirani za društvene igre, kvantno računanje ili oboje, da uživaju u našoj igri i podijele je s prijateljem.

Nakon što ste igrali igru, idite na QISkit i napravite svoju igru ​​i saznajte više o kvantnom računanju programiranjem stvarne.