Proiectarea unui joc de tablă cuantică

Dornic de joc? Faceți o copie proprie a Entanglion!
Calculul cuantic este un câmp de maturizare rapidă care folosește fenomene cuantice-mecanice, cum ar fi suprapunerea și încurcarea pentru a efectua calcule considerate intractabile pentru calculatoarele clasice.

Dacă nu ai înțeles un cuvânt din propoziția precedentă, nu ești singur! Prima mea introducere în calculul cuantic a fost când eram student la universitate și un prieten de-al meu mi-a spus că studiază calculul cuantic. L-am întrebat care este asta și, după cinci minute, încă nu aveam idee.

Înaintând rapid până la jumătatea anului 2016, m-am alăturat echipei din IBM Research care a dezvoltat IBM Q Experience și QISKit și a trebuit să mă ridic la viteză exact despre ce a fost calculul cuantic. Am citit toate ghidurile și tutorialele online pe care le-am putut găsi și am vizionat nenumărate videoclipuri, dar de fiecare dată când am crezut că am înțeles ceva, m-am regăsit la început, neavând o înțelegere puternică a materialului. În plus, ca să fiu sincer, materialul era dificil de înțeles și voalat în spatele unui perete de expresii matematice. Mi-am dorit un mod mai bun de a educa pe cineva asupra principiilor fundamentale ale calculului cuantic.

Quantum + Joc de masă = Minunat!

Într-un weekend, soțul meu (de asemenea, cercetător cu IBM) și am cumpărat un nou joc de masă pentru a ne juca împreună. Caseta a susținut că jocul a avut nevoie de două ore pentru a juca, dar am petrecut mult mai mult timp decât acela învățând regulile, încercând să jucăm pe rând, să facem greșeli și să le corectăm făcând referire constantă la cartea de reguli. Până la sfârșit, am reușit să jucăm printr-un joc complet (și așa cum este obișnuit, am câștigat!), Dar după ce am reflectat asupra acestui proces, am fost amândoi uimiți de cât timp și energie punem în învățarea unui joc cu reguli arbitrare. . Ce se întâmplă dacă am putea face același lucru, dar am învăța ceva pe parcurs?

Așa s-a născut ideea pentru un joc de masă de calcul cuantic.

Proiectarea unui joc este greu. Proiectarea unui joc cuantic? Mult mai greu.

Eu și soțul meu am lucrat împreună pentru a proiecta un joc de masă cu două obiective: trebuia să fie distractiv și trebuia să învețe jucătorii despre principiile fundamentale ale calculului cuantic. Amândoi avem un cadru de cercetare în interacțiunea om-calculator (HCI), care își propune să înțeleagă și să îmbunătățească modul în care oamenii interacționează cu și prin intermediul tehnologiei. Ne-am bazat pe două metode principale de cercetare de la HCI pentru dezvoltarea jocului nostru: prototiparea hârtiei și designul iterativ.

Proiectarea pe hârtie ne-a permis să facem schimbări rapide ale jocului în timp ce testam noi mecanici și reguli. Versiunile noastre timpurii ale jocului au împrumutat multe componente din alte jocuri de masă de care ne bucurăm, plus o mulțime de note lipicioase și decupaje de hârtie. După ce ne-am bazat pe mecanici de joc care s-au simțit distractivi, am arătat prototipul nostru unui grup de oameni de știință cuantici din laboratorul nostru de la IBM Research pentru a obține feedback despre aspectele științei. Comentariul lor preferat pentru noi a fost „acest lucru nu este cuantic”, trimițându-ne înapoi la tabloul de desen pentru a ne gândi la noi modalități de a reprezenta un sistem cuantic în carton. Am sfârșit creând cinci iterații majore ale jocului nostru de masă înainte ca oamenii noștri de știință cuantică să ne dea sigiliul de aprobare.

Prima versiune a jocului nostru de masă a împrumutat componente de la Carcassone, un alt joc de care ne bucurăm.A treia iterație a jocului nostru de masă este foarte colorată și a fost distractivă de jucat, însă oamenii de știință cuantici au considerat că „nu este suficient de cuantic”.Dr. Charles Bennett, IBM Fellow și pionier în domeniul științei informației cuantice, ne oferă feedback cu privire la a doua iterație a jocului nostru.În iterația patru, ne-am așezat pe o temă de știință în care jucătorii își mută navele spațiale de pe planetă pe planetă pentru a prelua componente ale unui computer cuantic.

Obiective de invatare

Când am proiectat un joc pentru a preda un subiect extrem de tehnic, ne-am gândit cu greu dacă obiectivul era să introducem pur și simplu jucători în concepte la nivel înalt în calculul cuantic sau să aprofundăm în detaliile complexe ale algoritmilor de calcul cuantic. Pentru a face jocul nostru plăcut pentru o gamă largă de jucători, am ales să punem accentul pe familiaritatea cu concepte la nivel înalt (numite măiestrie conceptuală), mai degrabă decât să ne concentrăm profund pe particularitățile algoritmilor cuantici (numite măiestrie tehnică). Am decis că jocul nostru ar trebui să expună jucătorii la aceste concepte fundamentale în calculul cuantic: qubits și stări cuantice, superpoziție, înțelegere, măsurare, eroare și diferitele tipuri de componente hardware și software implicate în construirea unui computer cuantic real. La începutul procesului nostru de proiectare, ne-am propus ca jocul nostru să fie să construim un computer cuantic din componentele sale constitutive!

Cooperativ sau competitiv?

Multe jocuri de masă sunt competitive, jucând jucătorul împotriva jucătorului într-o luptă de spirit și strategie. Întrucât obiectivul nostru a fost să creăm un joc educativ, am considerat că cele mai bune rezultate ale învățării se vor întâmpla atunci când jucătorii au lucrat împreună pentru a atinge obiectivul jocului. Am luat această decizie din observațiile pe care le-am făcut în timpul sesiunilor noastre de joc - jucătorii și-au pus adesea întrebări de genul: „ce se întâmplă dacă joc asta?” Și „cum funcționează acest lucru?” Discuțiile care au urmat au dus adesea la o mai bună înțelegere a mecanica de bază a jocului, ceea ce duce la o înțelegere puternică a mecanicii calculului cuantic. Acestea sunt exact tipurile de discuții pe care am dorit să le avem jucătorii în timpul jocului nostru și astfel am făcut ca jocul nostru să fie cooperant.

Calibrarea dificultății jocului

Calitatea care face un joc excelent constă în capacitatea sa de a provoca jucătorul doar suma potrivită la momentele potrivite. Jocurile prea ușoare sunt banale și nesatisfăcătoare; jocurile care sunt prea dificile pot fi frustrante, ducând la abandon. Astfel, am avut o dorință puternică de a ne asigura că jocul a fost suficient de provocator pentru a fi distractiv, dar nu prea dificil pentru a determina jucătorii să renunțe la frustrare sau nemulțumire.

O provocare cu care ne-am confruntat în calibrarea dificultății a fost să avem suficientă lume care să o joace pentru a fi siguri că jocul nu este prea ușor sau prea dificil. Pentru a depăși această provocare, am implementat de fapt un simulator pentru jocurile și jucătorii AI care ar putea juca împreună. Am rulat mii de simulări de joc pentru a ne ajuta să calibrăm dificultatea jocului, făcând modificări și rulând mai multe simulări pentru a le înțelege efectul. Deși jucătorii AI nu surprind cu adevărat modul în care oamenii ar juca jocul nostru, am decis empiric că ratele de câștig de 50–60% pentru o echipă AI corespund unui nivel adecvat de provocare pentru jucătorii umani.

Introduceți Entanglion

După multă muncă grea, care a iterat cu oamenii de știință cuantici, a testat cu colegii noștri și a efectuat mii de simulări de joc, a cincea noastră iterație a devenit jocul pe care îl numim acum Entanglion. Entanglion (o piesă despre cuvântul entanglement) a fost lansat în decembrie 2017 ca un proiect open-source pe Github pentru a permite tuturor să se bucure de el și să învețe despre calculul cuantic. Îi încurajăm pe toți cei interesați de jocurile de masă, calculul cuantic sau ambele, să se bucure de jocul nostru și să-l împărtășească cu un prieten.

După ce ai jucat jocul, mergi la QISkit și creează-ți propriul joc și află mai multe despre calcularea cuantică programând unul real.