Oblikovanje igranja kvantne računalniške igre

Želite igrati? Naredite svojo kopijo Entangliona!
Kvantno računanje je hitro dozorelo polje, ki uporablja kvantno-mehanske pojave, kot sta superpozicija in prepletanje, za izvajanje računov, za katere klasični računalniki ne veljajo.

Če niste razumeli niti besede prejšnjega stavka, niste sami! Moj prvi uvod v kvantno računalništvo je bil, ko sem bil študent in mi je prijatelj rekel, da študira kvantno računalništvo. Vprašal sem ga, kaj je to, in po petih minutah še vedno nisem imel pojma.

Hitro naprej do sredine leta 2016 sem se pridružil ekipi v IBM Research, ki je razvila IBM Q Experience in QISKit in sem potrebovala, da pospešim natanko to, kar zadeva kvantno računalništvo. Prebral sem vse spletne priročnike in vadnice, ki sem jih lahko našel in si ogledal nešteto videoposnetkov, a vsakič, ko sem pomislil, da nekaj razumem, sem se na začetku znašel, ne da bi močno razumel gradivo. Poleg tega, če sem iskren, je bilo gradivo težko razumeti in prikrito za steno matematičnih izrazov. Hrepenela sem po boljšem načinu izobraževanja nekoga o temeljnih načelih kvantnega računanja.

Quantum + družabna igra = super!

Nekega vikenda sva z možem (tudi raziskovalcem pri IBM-u) kupila novo družabno igro, da sva se lahko skupaj igrala. Škatla je trdila, da je igranje trajalo dve uri, vendar smo porabili veliko več časa kot to, da smo se učili pravil, poskušali igrati skozi zavoj, delali napake in jih odpravljali tako, da smo se stalno sklicevali na pravilnik. Na koncu smo se lahko igrali skozi celotno igro (in kot je že navada, zmagal sem!), Vendar smo ob razmisleku o tem postopku bili presenečeni nad tem, koliko časa in energije vložimo v učenje igre s poljubnimi pravili . Kaj če bi lahko storili isto stvar, a se ob poti kaj naučili?

Tako se je rodila ideja za kvantno računalniško družabno igro.

Oblikovanje igre je težko. Oblikovanje kvantne igre? Veliko težje.

Z možem sva skupaj sodelovala pri oblikovanju družabne igre z dvema ciljema: moralo je biti zabavno, igralce pa je morala naučiti osnovnih načel kvantnega računanja. Oba imava raziskovalno znanje o interakciji med človekom in računalnikom (HCI), katerega cilj je razumeti in izboljšati, kako ljudje komunicirajo s tehnologijo in s pomočjo nje. Pri razvoju naše igre smo se oprli na dve glavni raziskovalni metodi HCI: prototipiranje papirja in iterativno oblikovanje.

Oblikovanje na papirju nam je omogočilo hitre spremembe v igri, ko smo preizkušali novo mehaniko in pravila. Naše zgodnje različice igre so si sposodile veliko komponent iz drugih družabnih iger, v katerih uživamo, poleg tega pa še veliko lepljivih zapisov in izrezov iz papirja. Ko smo se odločili za mehaniko iger, ki se je počutila zabavno, smo pokazali naš prototip skupini kvantnih znanstvenikov v našem laboratoriju v IBM Research, da smo dobili povratne informacije o znanstvenih vidikih. Njihov najljubši komentar nam je bil: "to ni kvantno", zato so nas poslali nazaj k risalni plošči, da bi razmišljali o novih načinih predstavljanja kvantnega sistema v kartonu. Končali smo s petimi ponovitvami naše družabne igre, preden so nam kvantni znanstveniki dali svoj pečat odobritve.

Prva različica naše družabne igre si je sposodila komponente pri Carcassoneu, druga igra, ki jo uživamo.Tretja ponovitev naše družabne igre je zelo barvita in zabavna za igranje, vendar so naši kvantni znanstveniki menili, da Dr. Charles Bennett, IBM-ov sodelavec in pionir na področju kvantne informacijske znanosti, nam daje povratne informacije o drugi ponovitvi naše igre.V četrti iteraciji smo se ustalili na temo sci-fi, v kateri igralci premikajo svoje vesoljske ladje s planeta na planet, da bi prišli do komponent kvantnega računalnika.

Učni cilji

Ko smo oblikovali igro za poučevanje visoko tehničnega predmeta, smo dobro razmišljali o tem, ali je bil cilj preprosto predstaviti igralce konceptom na visoki ravni v kvantnem računanju ali se poglobiti v zapletene podrobnosti algoritmov kvantnega računanja. Da bi naša igra postala prijetna širokemu krogu igralcev, smo se odločili, da bomo dali poudarek na poznavanje konceptov na visoki ravni (imenovani konceptualno mojstrstvo), ne pa da bi se globoko osredotočali na podrobnosti kvantnih algoritmov (imenovanih tehnično obvladanje). Odločili smo se, da mora naša igra razkriti igralce tem temeljnim konceptom kvantnega računanja: kvitovi in ​​kvantna stanja, superpozicija, zapletenost, merjenje, napake in različne vrste strojne in programske komponente, ki sodelujejo pri gradnji pravega kvantnega računalnika. Zgodaj v postopku načrtovanja smo si zastavili cilj naše igre, da iz sestavnih delov sestavimo kvantni računalnik!

Zadružna ali konkurenčna?

Številne družabne igre so tekmovalne in igrajo proti igralcu v bitki pamet in strategije. Ker je bil naš cilj pripraviti izobraževalno igro, smo bili mnenja, da se bodo najboljši učni rezultati dosegli, ko bodo igralci sodelovali, da bi dosegli cilj igre. To odločitev smo sprejeli iz opazovanj, ki smo jih sprejeli med našimi sestanki igranja - igralci so si med seboj pogosto postavljali vprašanja, kot so: "kaj se zgodi, če igram to?" In "kako to deluje?" osnovna mehanika igre, ki vodi k dobrem razumevanju mehanike kvantnega računanja. Točne vrste razprav smo želeli imeti igralci med igranjem naše igre in tako smo svojo igro naredili za sodelovanje.

Umerjanje težavnosti z igro

Kakovost, zaradi katere je igra odlična, je v njeni zmožnosti, da igralca izzove ravno v pravem času. Preproste igre so trivialne in nezadovoljive; igre, ki so pretežke, so lahko frustrirajoče, kar vodi v opustitev. Tako smo imeli močno željo, da bi bila tekma dovolj zahtevna, da bi bila zabavna, vendar ne pretežka, da bi igralcem zaradi frustracij ali nezadovoljstva odpovedali.

Eden izzivov, s katerimi smo se soočali pri umerjanju težav, je bil dovolj ljudi, da bi ga igrali, da bi bili prepričani, da igra ni bila preveč lahka ali pretežka. Da bi premagali ta izziv, smo dejansko implementirali simulator igre in AI igralce, ki bi jo lahko igrali skupaj. Izvedli smo na tisoče simulacij iger, da bi nam pomagali umeriti težavnost igre, naredili pa smo nastavitve in izvedli več simulacij, da bi razumeli njihov učinek. Čeprav igralci AI resnično ne zajamejo, kako bi ljudje igrali našo igro, smo se empirično odločili, da stopnja zmag v skupini od 50 do 60% za ekipo AI ustreza ustrezni ravni izzivov za človeške igralce.

Vnesite Entanglion

Po številnem napornem delu z našimi kvantnimi znanstveniki, igranju s kolegi in izvajanju tisočih simulacij iger je naša peta iteracija postala igra, ki ji danes pravimo Entanglion. Entanglion (igra o besedi entanglement) je bil objavljen decembra 2017 kot odprtokodni projekt na Githubu, da bi lahko vsi uživali v njem in spoznavali kvantno računalništvo. Spodbujamo vse, ki jih zanimajo družabne igre, kvantno računalništvo ali oboje, da uživajo v naši igri in jo delijo s prijateljem.

Ko ste igrali igro, pojdite na QISkit in naredite svojo igro ter se naučite več o kvantnem računalništvu s programiranjem pravega.