Designing a Quantum Computing Board Game

Vil du spille? Lag din egen kopi av Entanglion!
Kvanteberegning er et raskt modning felt som bruker kvantemekaniske fenomener som superposisjon og sammenfiltring for å utføre beregninger som anses som ufravikelige for klassiske datamaskiner.

Hvis du ikke forsto et ord fra forrige setning, er du ikke alene! Den første introduksjonen min til kvanteberegning var da jeg var universitetsstudent og en venn av meg fortalte at han studerte kvanteberegning. Jeg spurte ham hva dette var, og etter fem minutter hadde jeg fortsatt ingen anelse om.

Fremover til midten av 2016 ble jeg med i teamet i IBM Research som utviklet IBM Q Experience og QISKit, og trengte å komme i gang med nøyaktig hva kvanteberegning handlet om. Jeg leste alle online guider og tutorials jeg kunne finne og så på utallige videoer, men hver gang jeg trodde jeg forsto noe, fant jeg meg tilbake i begynnelsen, uten å ha et sterkt grep om materialet. I tillegg, for å være ærlig, var materialet vanskelig å forstå og tilslørt bak en vegg av matematiske uttrykk. Jeg lengtet etter en bedre måte å utdanne noen til de grunnleggende prinsippene for kvanteberegning.

Quantum + brettspill = Kjempebra!

En helg kjøpte mannen min (også forsker hos IBM) og jeg et nytt brettspill for å spille sammen. Boksen hevdet det tok to timer å spille spillet, men vi brukte mye mer tid enn at vi lærte reglene, prøvde å spille gjennom en sving, gjøre feil og rette dem ved å stadig henvise tilbake til regelen. På slutten kunne vi spille gjennom et fullstendig spill (og som vanlig vant jeg!), Men når vi reflekterte over denne prosessen, ble vi begge overrasket over hvor mye tid og energi vi brukte til å lære et spill med vilkårlige regler. . Hva om vi kunne gjøre det samme, men lære noe underveis?

Slik ble ideen for et kvanteberegnings-brettspill født.

Å designe et spill er vanskelig. Designe et kvantespill? Mye vanskeligere.

Min mann og jeg jobbet sammen for å designe et brettspill med to mål: det måtte være morsomt, og det måtte lære spillerne om grunnleggende prinsipper for kvanteberegning. Begge av oss har en forskningsbakgrunn innen human-datamaskininteraksjon (HCI), som har som mål å forstå og forbedre hvordan mennesker samhandler med og gjennom teknologi. Vi stolte på to hovedforskningsmetoder fra HCI for å utvikle spillet vårt: papirprototyping og iterativ design.

Å designe på papir gjorde det mulig for oss å gjøre raske endringer i spillet når vi testet nye mekanikere og regler. Våre tidlige versjoner av spillet lånte mange komponenter fra andre brettspill vi liker, pluss mange klistremerker og papirutklipp. Etter at vi slo oss opp i spillmekanikken som føltes morsom, viste vi prototypen vår til en gruppe kvanteforskere i vårt laboratorium på IBM Research for å få tilbakemeldinger om vitenskapelige aspekter. Deres favorittkommentar til oss var, "dette er ikke kvantum," og sendte oss tilbake til tegnebrettet for å tenke på nye måter å representere et kvantesystem i papp. Vi endte opp med å lage fem store iterasjoner av brettspillet vårt før kvanteforskerne ga oss sin godkjennelse.

Den første versjonen av brettspillet vårt lånte komponenter fra Carcassone, et annet spill vi liker.Den tredje iterasjonen av brettspillet vårt er veldig fargerikt og var morsomt å spille, men kvanteforskerne våre mente at det ikke var Dr. Charles Bennett, en IBM-stipendiat og pioner innen kvanteinformasjonsvitenskap, gir oss tilbakemeldinger om den andre iterasjonen av spillet vårt.I iterasjon fire nøyde vi oss med et sci-fi-tema der spillerne flytter romskipene sine fra planet til planet for å hente komponenter fra en kvantemaskin.

Læringsmål

Når vi designet et spill for å lære et høyt teknisk fag, tenkte vi hardt på om målet var å bare introdusere spillere til konsepter på høyt nivå i kvanteberegning, eller å gå dypt inn i de intrikate detaljene i kvanteberegningsalgoritmer. For å gjøre spillet vårt morsomt for et bredt spekter av spillere, valgte vi å legge vår vekt på kjennskap til konsepter på høyt nivå (kalt konseptuell mestring) i stedet for å fokusere dypt på detaljene i kvantealgoritmer (kalt teknisk mestring). Vi bestemte at spillet vårt skulle utsette spillerne for disse grunnleggende konseptene innen kvanteberegning: qubits og kvantetilstander, superposisjon, sammenfiltring, måling, feil og de forskjellige typer maskinvare- og programvarekomponenter som er involvert i å bygge en ekte kvantedatamaskin. Tidlig i designprosessen gjorde vi målet med spillet vårt å være å konstruere en kvantecomputer fra dets bestanddeler!

Samvirke eller konkurrerende?

Mange brettspill er konkurransedyktige, spiller spiller mot spiller i en kamp om vett og strategi. Siden målet vårt var å lage et pedagogisk spill, følte vi at de beste læringsresultatene ville skje når spillerne jobbet sammen for å oppnå spillets mål. Vi tok denne avgjørelsen fra observasjoner vi gjorde under leketestene våre - spillerne stilte ofte spørsmål som "hva skjer hvis jeg spiller dette?" Og "hvordan fungerer dette?" Diskusjonene som fulgte førte ofte til en sterkere forståelse av spillets underliggende mekanikk, noe som fører til en sterk forståelse av mekanikken i kvanteberegning. Dette er nøyaktig den typen diskusjoner vi ønsket at spillerne skulle ha mens de spilte spillet vårt, og dermed fikk vi spillet til å samarbeide.

Kalibrering av spillproblemer

Kvaliteten som gjør et spill stort ligger i dens evne til å utfordre spilleren akkurat passe beløp til akkurat de rette tider. Spill som er for enkle er trivielle og ikke tilfredsstillende; spill som er for vanskelige kan være frustrerende, noe som kan føre til oppgivelse. Dermed hadde vi et sterkt ønske om å sikre at spillet bare var utfordrende nok til å være morsomt, men ikke for vanskelig til å få spillere til å gi seg fra frustrasjon eller misnøye.

En utfordring vi møtte med å kalibrere vanskeligheten var å ha nok folk til å prøve det for å være sikre på at spillet ikke var for enkelt eller for vanskelig. For å overvinne denne utfordringen implementerte vi faktisk en simulator for spillet og AI-spillere som kunne spille den sammen. Vi kjørte tusenvis av spillsimuleringer for å hjelpe oss med å kalibrere vanskeligheten med spillet, lage finjusteringer og kjøre flere simuleringer for å forstå effekten av dem. Selv om AI-spillere ikke virkelig fanger hvordan folk ville spille spillet vårt, bestemte vi empirisk at gevinstfrekvenser på 50–60% for et AI-lag tilsvarte et tilstrekkelig utfordringsnivå for menneskelige spillere.

Gå inn i Entanglion

Etter mye hardt arbeid med kvanteforskere, lekeprøver med kollegene og kjørt tusenvis av spillsimuleringer, ble vår femte iterasjon spillet som vi nå kaller Entanglion. Entanglion (et skuespill om ordet forvikling) ble utgitt i desember 2017 som et åpen kildekode-prosjekt på Github for å gjøre det mulig for alle å glede seg over det og lære om kvanteberegning. Vi oppfordrer alle som er interessert i brettspill, kvanteberegning, eller begge deler, til å glede seg over spillet vårt og dele det med en venn.

Etter at du har spilt spillet, gå til QISkit og lag ditt eget spill, og lær mer om kvanteberegning ved å programmere et ekte.