设计量子计算棋盘游戏

渴望玩吗?制作自己的《纠结》副本!
量子计算是一个快速成熟的领域,它使用诸如叠加和纠缠之类的量子力学现象来执行传统计算机难以处理的计算。

如果您听不懂前一句话,那么您并不孤单!我第一次介绍量子计算是在我上大学的时候,我的一个朋友告诉我他正在研究量子计算。我问他是什么,五分钟后,我仍然不知道。

快进到2016年中,我加入了IBM Research团队,该团队开发了IBM Q Experience和QISKit,并且需要加快对量子计算的了解。我阅读了所有可以找到的在线指南和教程,并观看了无数视频,但是每当我以为自己了解一些内容时,我就会回到开始时就没有足够的掌握这些材料的知识。另外,老实说,这些材料很难理解,而且掩盖在数学表达式的墙后面。我渴望有一种更好的方法来教育某人有关量子计算的基本原理。

量子+棋盘游戏=太棒了!

一个周末,我的丈夫(也是IBM的研究员)和我购买了一种新的棋盘游戏,可以一起玩。盒子声称游戏要花两个小时才能玩,但是我们花了更多的时间学习规则,尝试转弯,犯错误,并通过不断参考规则书来纠正错误。到最后,我们可以玩完整的游戏(按照惯例,我赢了!),但在反思这一过程时,我们都为投入任意规则学习游戏所花费的时间和精力感到惊讶。 。如果我们可以做同样的事情,但在一路上学到一些东西怎么办?

这就是量子计算棋盘游戏想法的诞生。

设计游戏很难。设计量子游戏?难得多。

我和我丈夫共同设计了一个具有两个目标的棋盘游戏:它必须很有趣,并且必须教给玩家有关量子计算的基本原理。我们俩都有人机交互(HCI)的研究背景,旨在理解和改进人们与技术以及通过技术进行交互的方式。在开发游戏时,我们依靠HCI的两种主要研究方法:纸张原型设计和迭代设计。

纸上设计使我们能够在测试新机制和新规则时快速更改游戏。我们游戏的早期版本借鉴了我们喜欢的其他棋盘游戏的许多组件,以及大量的便签和剪纸。确定了有趣的游戏机制后,我们向IBM Research实验室中的一组量子科学家展示了我们的原型,以获取有关科学方面的反馈。他们最喜欢我们的评论是“这不是量子”,这使我们回到绘图板上,以思考在纸板中表示量子系统的新方法。在量子科学家给我们盖章之前,我们最终创建了五种主要的棋盘游戏迭代。

我们的棋盘游戏的第一个版本借鉴了Carcassone的组件,这是我们喜欢的另一款游戏。我们的棋盘游戏的第三次迭代非常丰富多彩,玩起来很有趣,但是我们的量子科学家认为这“不够量子化”。IBM研究员,量子信息科学领域的先驱Charles Bennett博士向我们提供了有关游戏第二次迭代的反馈。在第四次迭代中,我们确定了一个科幻主题,即玩家将飞船从一个星球移到另一个星球,以检索量子计算机的组件。

学习目标

在设计一款游戏来教授高技术主题的游戏时,我们很难考虑目标是向玩家简单介绍量子计算中的高级概念,还是深入研究量子计算算法的复杂细节。为了使我们的游戏为广大玩家所喜爱,我们选择将重点放在对高级概念的熟悉(称为概念精通)上,而不是将重点放在量子算法的细节(称为技术精通)上。我们决定,我们的游戏应让玩家了解量子计算中的这些基本概念:量子位和量子状态,叠加,纠缠,测量,误差以及构建真实量子计算机所涉及的各种硬件和软件组件。在设计过程的早期,我们将游戏的目标定为从其组成部分构建量子计算机!

合作还是竞争?

许多棋盘游戏具有竞争力,在机智和战略之战中让玩家与玩家抗衡。由于我们的目标是制作一款教育游戏,因此我们认为,为了实现游戏的目标而共同努力,最好的学习成果将会实现。我们是根据在游戏测试期间的观察结果做出这个决定的–玩家经常互相问诸如“如果我玩这个游戏会发生什么?”和“这东西如何工作?”之类的问题。游戏的基本机制,从而使人们对量子计算的机制有了深刻的了解。这些正是我们希望玩家在玩游戏时进行的讨论,因此我们使我们的游戏成为合作伙伴。

比赛难度的标定

一款出色游戏的品质在于它能够在正确的时间挑战正确的玩家数量。过于简单的游戏既琐碎又令人不满意。太难的游戏可能会令人沮丧,从而导致放弃。因此,我们强烈希望确保游戏具有足够的挑战性以使游戏变得有趣,但又不至于太困难而不会导致玩家因沮丧或不满意而放弃。

我们在校准难度时面临的挑战之一是要让足够多的人进行游戏测试,以便确信游戏不是太容易或太难。为了克服这一挑战,我们实际上为可以一起玩游戏的游戏和AI玩家实现了一个模拟器。我们运行了数千个游戏模拟,以帮助我们校准游戏的难度,进行调整并运行更多的模拟以了解其效果。尽管AI玩家并没有真正掌握人们如何玩我们的游戏,但我们凭经验确定AI团队50%至60%的获胜率与人类玩家的挑战水平相当。

输入纠缠

在与我们的量子科学家进行了大量艰苦的工作,与我们的同事进行游戏测试并运行了数千个游戏模拟之后,我们的第五次迭代成为了现在称为Entanglion的游戏。 Entanglion(纠缠一词的剧本)于2017年12月发布,是Github上的一个开源项目,使每个人都可以享受它并了解量子计算。我们鼓励所有对棋盘游戏和/或量子计算都感兴趣的人喜欢我们的游戏并与朋友分享。

玩完游戏后,转到QISkit制作自己的游戏,并通过编写真实的游戏来了解有关量子计算的更多信息。