Design af et Quantum Computing-brætspil

Ivrig efter at spille? Lav din egen kopi af Entanglion!
Kvanteberegning er et felt, der hurtigt modnes, der bruger kvantemekaniske fænomener såsom superposition og sammenfiltring til at udføre beregninger, der betragtes som ufravigelige for klassiske computere.

Hvis du ikke forstod et ord i den forrige sætning, er du ikke alene! Min første introduktion til kvantecomputering var da jeg var universitetsstuderende og en af ​​mine venner fortalte mig, at han studerede kvantecomputering. Jeg spurgte ham, hvad dette var, og efter fem minutter havde jeg stadig ingen idé.

Spol frem til midten af ​​2016 sluttede jeg mig med teamet i IBM Research, der udviklede IBM Q Experience og QISKit, og var nødt til at komme op med hastigheden om nøjagtigt hvad kvanteberegning drejede sig om. Jeg læste alle de online guider og tutorials, jeg kunne finde og så utallige videoer, men hver gang jeg troede, jeg forstod noget, fandt jeg mig tilbage i begyndelsen uden at have et stærkt greb om materialet. Plus, for at være ærlig, var materialet vanskeligt at forstå og sløret bag en mur af matematiske udtryk. Jeg længtes efter en bedre måde at uddanne nogen til de grundlæggende principper for kvanteberegning.

Quantum + brætspil = Awesome!

En weekend købte min mand (også en forsker hos IBM) og jeg et nyt brætspil for at spille sammen. Boksen hævdede, at spillet tog to timer at spille, men vi brugte meget mere tid end at lære reglerne, forsøge at spille gennem en drejning, begå fejl og rette dem ved konstant at henvise tilbage til regelbogen. I slutningen var vi i stand til at spille gennem et komplet spil (og som sædvanligt vandt jeg!), Men efter at have reflekteret over denne proces blev vi begge forbløffet over hvor meget tid og energi vi brugte til at lære et spil med vilkårlige regler . Hvad hvis vi kunne gøre det samme, men lære noget undervejs?

Sådan blev ideen til et kvantecomputeringskortspil født.

Det er svært at designe et spil. Designe et kvantespil? Meget sværere.

Min mand og jeg arbejdede sammen om at designe et brætspil med to mål: det måtte være sjovt, og det måtte lære spillerne om grundlæggende principper for kvanteberegning. Begge af os har en forskningsbaggrund i human-computer-interaktion (HCI), der sigter mod at forstå og forbedre, hvordan mennesker interagerer med og gennem teknologi. Vi stolede på to hovedforskningsmetoder fra HCI i udviklingen af ​​vores spil: papirprototype og iterativ design.

Design på papir gjorde det muligt for os at foretage hurtige ændringer i spillet, da vi testede nye mekanik og regler. Vores tidlige versioner af spillet lånte mange komponenter fra andre brætspil, vi har glæde af, plus en masse sticky notes og papirudskæringer. Efter at vi besluttede os med spilmekanik, der følte det sjovt, viste vi vores prototype til en gruppe kvanteforskere i vores laboratorium hos IBM Research for at få feedback om de videnskabelige aspekter. Deres yndlingskommentar til os var, ”dette er ikke kvante”, og sendte os tilbage til tegnebrættet for at tænke på nye måder at repræsentere et kvantesystem i pap. Vi endte med at oprette fem store iterationer af vores brætspil, inden vores kvanteforskere gav os deres godkendelse.

Den første version af vores brætspil lånte komponenter fra Carcassone, et andet spil vi nyder.Den tredje iteration af vores brætspil er meget farverig og var sjovt at spille, men vores kvanteforskere mente, at det var Dr. Charles Bennett, en IBM Fellow og pioner inden for kvanteinformationsvidenskab, giver os feedback om den anden iteration af vores spil.I iteration fire blev vi afgjort med et sci-fi-tema, hvor spillerne flytter deres rumskibe fra planet til planet for at hente komponenter i en kvantecomputer.

Læringsmål

Når vi designede et spil for at undervise i et meget teknisk emne, tænkte vi hårdt over, om målet var blot at introducere spillere til koncepter på højt niveau i kvantecomputering eller at gå dybt ind i de komplicerede detaljer i kvantecomputerealgoritmer. For at gøre vores spil behageligt for en bred vifte af spillere valgte vi at lægge vores vægt på fortrolighed med koncepter på højt niveau (kaldet konceptuel mestring) snarere end at fokusere dybt på oplysningerne om kvantealgoritmer (kaldet teknisk mestring). Vi besluttede, at vores spil skulle udsætte spillere for disse grundlæggende koncepter inden for kvanteberegning: qubits og kvantetilstander, superposition, sammenfiltring, måling, fejl og de forskellige slags hardware- og softwarekomponenter, der er involveret i opbygningen af ​​en reel kvantecomputer. Tidligt i vores designproces gjorde vi målet med vores spil at være at konstruere en kvantecomputer ud fra dets bestanddele!

Kooperativ eller konkurrencedygtig?

Mange brætspil er konkurrencedygtige, spillende spiller mod spiller i en kamp om viden og strategi. Da vores mål var at lave et pædagogisk spil, følte vi, at de bedste læringsresultater ville ske, når spillerne arbejdede sammen for at nå spillet. Vi tog denne beslutning fra observationer, vi tog under vores playtesting-sessioner - spillere stillede ofte hinanden spørgsmål som "hvad sker der, hvis jeg spiller dette?" Og "hvordan fungerer denne ting?" De diskussioner, der fulgte, førte ofte til en stærkere forståelse af spillets underliggende mekanik, hvilket fører til en stærk forståelse af mekanikken i kvanteberegning. Dette er nøjagtigt den slags diskussioner, vi ønskede, at spillere skulle have, mens de spillede vores spil, og dermed gjorde vi vores spil samarbejdsvilligt.

Kalibrering af spilproblemer

Den kvalitet, der gør et spil stort, ligger i dets evne til at udfordre spilleren lige det rigtige beløb på lige de rigtige tidspunkter. Spil, der er for lette, er trivielle og utilfredsstillende; spil, der er for vanskelige, kan være frustrerende, hvilket kan føre til opgivelse. Således havde vi et stærkt ønske om at sikre, at spillet bare var udfordrende nok til at være sjovt, men ikke for svært til at få spillere til at give op fra frustration eller utilfredshed.

En af de udfordringer, vi stillede over for at kalibrere vanskeligheden, var at have nok mennesker til at prøve det til at være sikre på, at spillet ikke var for let eller for svært. For at overvinde denne udfordring implementerede vi faktisk en simulator til spillet og AI-spillere, der kunne spille det sammen. Vi kørte tusinder af spillsimuleringer for at hjælpe os med at kalibrere spillets vanskeligheder, lave finjusteringer og køre flere simuleringer for at forstå deres effekt. Selvom AI-spillere ikke virkelig fanger, hvordan folk ville spille vores spil, besluttede vi empirisk, at vindrater på 50–60% for et AI-hold svarede til et passende niveau for udfordring for menneskelige spillere.

Indtast Entanglion

Efter en masse hårdtarbejdende iterering med vores kvantevidenskabsmænd, playtesting med vores kolleger og kørsel af tusinder af spillsimuleringer blev vores femte iteration det spil, vi nu kalder Entanglion. Entanglion (et skuespil om ordet forvikling) blev frigivet i december 2017 som et open source-projekt på Github for at gøre det muligt for alle at nyde det og lære om kvanteberegning. Vi opfordrer alle, der er interesseret i brætspil, kvantecomputering eller begge dele, til at nyde vores spil og dele det med en ven.

Når du har spillet spillet, skal du gå til QISkit og lave dit eget spil og lære mere om kvanteberegning ved at programmere et rigtigt.